JP2018125337A - 半導体装置、及び、電子機器 - Google Patents

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Abstract

【課題】熱に対して安定な光学系を提供することができるようにする。
【解決手段】センサと、当該センサを保持する保持基板とを備え、センサについて、ヤング率をES(GPa),厚みをtS(mm)とし、保持基板について、線膨張係数をCTEI(ppm/K),ヤング率をEI(GPa),厚みをtI(mm)としたとき、(EI × tI)+(ES × tS) > 30、かつ、1.5 < CTEI < 4.5を満たしている半導体装置が提供される。本技術は、例えば、イメージセンサを収納した半導体パッケージに適用することができる。
【選択図】図20

Description

本技術は、半導体装置、及び、電子機器に関し、特に、熱に対して安定な光学系を提供することができるようにした半導体装置、及び、電子機器に関する。
半導体微細加工技術を応用したCCD(Charge Coupled Device)イメージセンサやCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)イメージセンサ等の固体撮像素子は、デジタルカメラや携帯電話機等に広く採用されている。
近年では、センサチップの画素微細化が進展し、画素当たりの光量を上げるために、F値の小さいレンズを用いる傾向がある。これによって、レンズの焦点深度が浅くなるため、合焦させるために必要なセンサ反り形状の特に熱に対する安定性が重要となっている。
センサ反りの熱安定性を向上させるための技術としては、例えば、特許文献1と特許文献2が開示されている。
特許文献1には、光学センサを保持する基板の材料として、セラミックのように高温で焼成されるため熱安定性が高く、湿度などに対しても形状安定性が高い材料を用いることで、センサ反り形状が安定化されるようにする技術が開示されている。
特許文献2には、光学センサを保持する基板のコアの材料として、無アルカリガラスのように、線膨張係数(CTE)が、半導体チップ(センサチップ)のシリコン(Si)に近いものを用いることで、センサ反り形状が安定化されるようにする技術が開示されている。
特開2005−340539号公報 特開2014−229674号公報
しかしながら、上述した特許文献1,2に開示されている技術のように、単に基板材料を選択するだけでは、センサ反りの熱安定性を十分に担保することができないため、より熱安定性の高い構造が求められていた。
本技術はこのような状況に鑑みてなされたものであり、熱に対して安定な光学系を提供することができるようにするものである。
本技術の第1の側面の半導体装置は、センサと、前記センサを保持する保持基板とを備え、前記センサについて、ヤング率をES(GPa),厚みをtS(mm)とし、前記保持基板について、線膨張係数をCTEI(ppm/K),ヤング率をEI(GPa),厚みをtI(mm)としたとき、(EI × tI)+(ES × tS) > 30、かつ、1.5 < CTEI < 4.5を満たしている半導体装置である。
本技術の第1の側面の半導体装置においては、センサについて、ヤング率がES(GPa),厚みがtS(mm)とされ、保持基板について、線膨張係数がCTEI(ppm/K),ヤング率がEI(GPa),厚みがtI(mm)とされるとき、 (EI × tI)+(ES × tS) > 30、かつ、1.5 < CTEI < 4.5が満たされている。
本技術の第2の側面の電子機器は、センサと、前記センサを保持する保持基板とを有し、前記センサについて、ヤング率をES(GPa),厚みをtS(mm)とし、前記保持基板について、線膨張係数をCTEI(ppm/K),ヤング率をEI(GPa),厚みをtI(mm)としたとき、(EI × tI)+(ES × tS) > 30、かつ、1.5 < CTEI < 4.5を満たしている半導体装置を搭載した電子機器である。
本技術の第2の側面の電子機器においては、センサについて、ヤング率がES(GPa),厚みがtS(mm)とされ、保持基板について、線膨張係数がCTEI(ppm/K),ヤング率がEI(GPa),厚みがtI(mm)とされるとき、 (EI × tI)+(ES × tS) > 30、かつ、1.5 < CTEI < 4.5が満たされている半導体装置が搭載されている。
本技術の第1の側面及び第2の側面によれば、熱に対して安定な光学系を提供することができる。
なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本開示中に記載されたいずれかの効果であってもよい。
従来の半導体装置の構造を示す断面図である。 センサの反り量とレンズの焦点深度との関係を示す図である。 従来技術での温度に応じたセンサ反りの変化量を示す図である。 本技術を適用した半導体装置の構造を示す断面図である。 本技術を適用した半導体装置の他の構造を示す断面図である。 本技術と従来技術での温度に応じたセンサ反りの変化量の比較を示す図である。 本技術と従来技術での温度ごとのセンサ反り量の比較を示す図である。 第1のシミュレーションの条件(センサの曲率半径:100mm以下)を示す図である。 第1のシミュレーションの条件(ES × tS,EI × tI:変動)を示す図である。 第1のシミュレーションの結果として、EI × tI = 32の場合のES × tSとセンサ反り量の関係を示す図である。 第1のシミュレーションの結果として、EI × tI = 8の場合のES × tSとセンサ反り量の関係を示す図である。 第2のシミュレーションの条件(CTEI:変動)を示す図である。 第2のシミュレーションの結果として、本技術(CTEI = 3.05)と従来技術(CTEI = 7.5)での温度ごとのセンサ反り量の比較を示す図である。 第3のシミュレーションの条件(回路の体積:変動)を示す図である。 第3のシミュレーションの結果として、温度ごとの回路の総体積とセンサ反り量の関係を示す図である。 第4のシミュレーションの条件(EC × tC = 約10,約12.5,約25)を示す図である。 第4のシミュレーションの結果として、EC × tCを変化させた場合の温度ごとのセンサ反り量の比較を示す図である。 第5のシミュレーションの条件(EC × tC = 約10,約12.5,約25)を示す図である。 第5のシミュレーションの結果として、EC × tCを変化させた場合の温度ごとのセンサ反り量の比較を示す図である。 第1の実施の形態の半導体装置の第1の構造の例を示す断面図である。 第1の実施の形態の半導体装置の第2の構造の例を示す断面図である。 第1の実施の形態の半導体装置の第3の構造の例を示す断面図である。 第1の実施の形態の半導体装置の第4の構造の例を示す断面図である。 第3の実施の形態の半導体装置の第1の構造の例を示す断面図である。 第3の実施の形態の半導体装置の第2の構造の例を示す断面図である。 第3の実施の形態の半導体装置の第3の構造の例を示す断面図である。 第3の実施の形態の半導体装置の第4の構造の例を示す断面図である。 第4の実施の形態の半導体装置の構造の例を示す上面図である。 第5の実施の形態の半導体装置の構造の例を示す断面図である。 第6の実施の形態の半導体装置の第1の構造の例を示す断面図である。 第6の実施の形態の半導体装置の第2の構造の例を示す断面図である。 第6の実施の形態の半導体装置の第3の構造の例を示す断面図である。 第6の実施の形態の半導体装置の第4の構造の例を示す断面図である。 第1の実施の形態の半導体装置の変形例の第1の構造の例を示す断面図である。 第1の実施の形態の半導体装置の変形例の第2の構造の例を示す断面図である。 第1の実施の形態の半導体装置の変形例の第3の構造の例を示す断面図である。 第1の実施の形態の半導体装置の変形例の第4の構造の例を示す断面図である。 第1の実施の形態の半導体装置の第3の構造の変形例(第1の構造ないし第3の構造)を示す上面図である。 第1の実施の形態の半導体装置の第3の構造の変形例(第4の構造の例)を示す断面図である。 第1の実施の形態の半導体装置の第3の構造の変形例(第5の構造の例)を示す断面図である。 第1の実施の形態ないし第6の実施の形態の変形例(第1の構造ないし第3の構造)を示す断面図である。 第1の実施の形態ないし第6の実施の形態の変形例(第4の構造ないし第6の構造)を示す上面図である。 湾曲したセンサを、保持基板に搭載する際の製造方法の例を示す図である。 本技術を適用した半導体装置を有する電子機器の構成例を示すブロック図である。 本技術を適用した半導体装置に収納されるイメージセンサの使用例を示す図である。 車両制御システムの概略的な構成の一例を示すブロック図である。 車外情報検出部及び撮像部の設置位置の一例を示す説明図である。
以下、図面を参照しながら、本開示に係る技術(本技術)の実施の形態について説明する。なお、説明は以下の順序で行うものとする。
1.本技術の概要
2.シミュレーションの例
3.第1の実施の形態:基本構造
4.第2の実施の形態:電極を保護した構造
5.第3の実施の形態:発熱体を搭載した構造
6.第4の実施の形態:電極配置に偏りがある構造
7.第5の実施の形態:補正用の駆動機構を搭載した構造
8.第6の実施の形態:湾曲センサを搭載した構造
9.変形例
(1)第1の実施の形態の半導体装置の変形例
(2)第1の実施の形態の半導体装置の第3の構造の変形例
(3)第1の実施の形態ないし第6の実施の形態の半導体装置の変形例
(4)製造方法の例
10.電子機器の構成
11.イメージセンサの使用例
12.移動体への応用例
<1.本技術の概要>
(従来の半導体装置の構造)
図1は、従来の半導体装置の構造を示す断面図である。
図1において、半導体パッケージ10は、半導体チップとしてのセンサ13を収納してパッケージングしている一般的な半導体装置である。センサ13の受光面には、複数の画素13Pが行列状に2次元配置され、レンズ群11によって入射される光が、フィルタ部12を介して受光される。入射光は、画素13Pにより光電変換され、その結果得られる電気信号が出力される。
センサ13は、有機基板51上に搭載され、入射光を受光可能な位置に接着剤により固定される。なお、センサ13(のパッド部)と、有機基板51(のリード部)とは、ワイヤ31を用いたワイヤボンディングにより電気的に接続されている。また、有機基板51上には、部品52が固定され、モールド樹脂53により覆われている。モールド樹脂53上にはまた、枠部54が設けられ、フィルタ部12を固定している。
ここで、センサ13に対する枠内に示すように、温度や湿度によって、有機基板51が変形した場合、その変形を反映してセンサ13に反りが生じることになる。具体的には、枠内の矢印Aの方向に、センサ13が反ることになる。
また、センサ13の画素微細化が進展し、画素13Pの光量を上げるために、F値の小さいレンズ群11を用いる傾向があるのは、先に述べた通りである。そして、F値の小さいレンズ群11を用いた場合には、図2に示すように、レンズの焦点深度が浅くなる。なお、焦点深度Δは、Δ = 2εF(ε:解像度、F:F値)により求められる。
このとき、図2に示すように、温度により変動するセンサ13の反り量が、レンズの焦点深度よりも大きくなってしまうと、合焦に影響がでるため、熱に対して安定的な光学系が望まれていた。
ここで、上述した特許文献1に開示されている技術を、「従来技術1」と称し、上述した特許文献2に開示されている技術を、「従来技術2」と称すれば、これらの従来技術を用いた場合のセンサの反り量は、例えば、図3に示すようになる。すなわち、図3において、縦軸は、0℃から100℃の間でのセンサの反り量の変化(センサ反り変化量)を表しているが、従来技術1,2ともに、ある程度のセンサ反り変化量を有しているため、センサの反りの温度安定性は、乏しいと言える。
そこで、本技術を適用した半導体装置においては、センサ反りの熱安定性を十分に担保して、熱に対して安定的な光学系を提供することができるようにする。以下、本技術を適用した半導体装置について説明する。
(本技術の半導体装置の構造)
図4は、本技術を適用した半導体装置の構造を示す断面図である。
図4において、半導体パッケージ100は、半導体チップとしてのセンサ113を収納してパッケージングしている半導体装置である。
センサ113は、CCD(Charge Coupled Device)イメージセンサやCMOS(Complementary Metal Oxide 5Semiconductor)イメージセンサ等の固体撮像素子である。センサ113の受光面には、複数の画素が行列状に2次元配列され、レンズ群(不図示)によって入射される光が、封止部材112を介して受光される。入射光は、センサ113(の画素)により光電変換され、その結果得られる電気信号が出力される。なお、封止部材112は、フィルタとしての機能を有するようにしてもよい。
保持基板114は、センサ113を保持するためのコア基板(センサ保持基板)である。保持基板114は、センサ保持形態として、センサ113の周辺部を受光面側から基板電極で保持する構造を有している。そして、保持基板114には、その中央部に、矩形の形状からなる開口部が形成されており、この開口部を通過した光が、センサ113の受光面に入射される。
また、保持基板114の上面(光の入射側の面)と下面(光の入射側と反対側の面)には、基板上回路116が設けられている。下面側に設けられた基板上回路116は、例えば異方性導電膜(ACF:Anisotropic Conductive Film)により引出し回路118と電気的に接続される。
裏打ち部材121は、センサ113を裏打ちする部材(センサ裏打ち部材)である。裏打ち部材121は、センサ113の下面(光の入射側と反対側の面)と接着剤122により固定(接続)される。
以上のように構成される半導体パッケージ100においては、温度の変化に対して、センサ113の反りを変化(ほとんど変化)させないようにするために、センサ113や保持基板114、裏打ち部材121等の各部位の物性値を、次のように調整するものとする。
第1に、センサ113のヤング率をES(GPa),厚みをtS(mm)とし、保持基板114のヤング率をEI(GPa),厚みをtI(mm)としたときに、(EI × tI)+(ES × tS) を調整することで、温度の変化に対して、センサ113の反りを変化(ほとんど変化)させないようにする。
第2に、保持基板114の線膨張係数(CTE:Coefficient of Thermal Expansion)をCTEI(ppm/K)としたときに、CTEIを調整することで、温度の変化に対して、センサ113の反りを変化(ほとんど変化)させないようにする。
第3に、保持基板114の体積に対する基板上回路116(保持基板114上の回路(引出し回路118を除く))の体積を調整することで、温度の変化に対して、センサ113の反りを変化(ほとんど変化)させないようにする。
第4に、裏打ち部材121のヤング率をEc(GPa),厚みをtc(mm)としたときに、(Ec × tc) を調整することで、温度の変化に対して、センサ113の反りを変化(ほとんど変化)させないようにする。
なお、図5には、図4に示した半導体パッケージ100の他の構造として、センサ113を保持する保持基板として、開口部を有する保持基板114の代わりに、開口部のない保持基板214を設けるとともに、保持基板214上に、フィルタとしての機能を有するフィルタ部212を設けた構造を示している。このような図5に示した構造を採用した場合においても、保持基板214を含む各部位の物性値を上述したように調整することで、温度の変化に対して、センサ113の反りを変化(ほとんど変化)させないようにすることができる。
ここで、上述した各部位の物性値を調整する本技術を用いた場合のセンサ反り変化量は、例えば、図6に示すようになる。なお、図6においては、本技術と従来技術との比較のために、図3に示した従来技術1,2を用いた場合のセンサ反り変化量も図示している。
すなわち、図6において、縦軸は、図3と同様に、0℃から100℃の間でのセンサの反り変化量を表しているが、本技術を用いた場合、従来技術1,2を用いた場合と比べて、センサ反り変化量が極端に少なく、本技術を用いることで、センサの反りの温度安定性を向上させることができる。
また、本技術を用いた場合と、従来技術2を用いた場合の温度ごとのセンサ反り量を比較すれば、例えば、図7に示すようになる。ただし、図7において、縦軸は、センサ反り量を表し、横軸は、温度(℃)を表している。
すなわち、本技術の結果は、図4又は図5の半導体パッケージ100について、各部位の物性値を上述したように調整した場合における、温度とセンサ反り量との関係を示している。この本技術の結果に注目すれば、-20℃〜100℃の範囲で、センサ反り量の値は、ほぼ一定の値となっている。一方で、従来技術2の結果に注目すれば、右下がりの直線となって、温度が低いほど、センサ反り量は大きくなる。
このように、図4又は図5の半導体パッケージ100について、各部位の物性値を上述したように調整することで、温度の変化に対し、センサ反り量をほぼ一定とすることができる。
<2.シミュレーションの例>
ところで、図4又は図5の半導体パッケージ100において設計(調整)される各部位の物性値は、本技術の発明者(本発明者)によって行われた詳細なるシミュレーションにより見出されたものである。そこで、以下、そのシミュレーションの詳細について、図8ないし図19を参照して説明する。
(1)第1のシミュレーション
図8及び図9は、第1のシミュレーションの条件を示す図である。
図8Aは、図4に示した半導体パッケージ100において、開口部が形成された保持基板114に保持されるセンサ113の曲率半径を、100mm以下に設計(光学設計)した場合の構造を示している。つまり、図8Aの半導体パッケージ100において、センサ113は、100mm以下の曲率半径を有する湾曲センサである。
ここで、広角なレンズでは、周辺光量の低下に大きな影響を受ける場合があるが、図8Aに示すように、センサ113の受光面を、レンズに向かって凹状に湾曲させることで、周辺光量の低下の問題を改善することが可能となる。特に、湾曲量として、センサ113の曲率半径を、100mm以下に設計することで、より大きな改善効果が得られることが知られている。
なお、ここで、広角なレンズとしては、標準的なレンズよりも画角の広いレンズであって、例えば、その画角が、120°から180°等となる超広角向けのレンズが相当する。
また、図8Bは、図5に示した半導体パッケージ100において、平板状の保持基板214に保持されるセンサ113の曲率半径を、100mm以下に設計した場合の構造を示している。この場合においても、周辺光量の低下の問題に対し、より大きな改善効果が得られることが知られている。
図9は、図4に示した半導体パッケージ100において、開口部が形成された保持基板114について、EI × tIを変動させるとともに、保持基板114に保持されるセンサ113について、ES × tSを変動させるときに、センサ113の反り量を、温度ごとに求めて、(EI × tI)+(ES × tS)を調整できるようにした第1のシミュレーションの条件を表している。
なお、上述したように、EI(GPa),tI(mm)は、保持基板114のヤング率と厚みを表し、ES(GPa),tS(mm)は、センサ113のヤング率と厚みを表している。
ここで、図10には、第1のシミュレーションの結果として、保持基板114のEI × tI(保持基板EI × tI)を、EI × tI = 32とした場合における、センサES × tSとセンサ反り量の関係を示している。
ただし、図10において、縦軸は、センサ113の反り量(センサ反り量)を表し、横軸は、センサ113のES × tS(センサES × tS)を表している。また、図10においては、温度が、0℃となる場合の結果と、100℃となる場合の結果についてそれぞれ示している。
図10において、温度が0℃となる場合の結果に注目すれば、センサES × tSの値が小さいほど、センサ反り量の値は大きくなる一方で、センサES × tSの値が大きいほど、センサ反り量の値は小さくなる。また、図10において、温度が100℃となる場合の結果に注目すれば、温度が0℃となる場合の結果と比べて、若干センサ反り量の値が小さくなるものの、センサES × tSの値が大きいほど、センサ反り量は小さくなる。すなわち、EI × tI = 32として、センサES × tSの値を変化させた場合、0℃と100℃でのセンサ反り量には、それほど大きな差はない。
例えば、図10においては、センサES × tSの値が小さい領域が、図8A及び図8Bに示した半導体パッケージ100の構造(湾曲したセンサ113の構造)に対応する一方で、センサES × tSの値が大きい領域が、図9に示した半導体パッケージ100の構造(平坦なセンサ113の構造)に対応している。
そして、図10に示すように、保持基板EI × tI の値として、EI × tI = 32のように、ある程度大きな値となる場合には、センサES × tSの値が小さいときでも、0℃と100℃等の温度の変化による反り温度変化量を小さくできることになる。
また、図11には、第1のシミュレーションの結果として、保持基板EI × tI = 8とした場合における、ES × tSとセンサ反り量の関係を示している。ただし、図11において、縦横の軸やグラフの種別は、図10と同様とされる。
図11において、温度が0℃となる場合の結果に注目すれば、図10に示した保持基板EI × tI = 32の場合の温度0℃の結果と類似した形状の曲線となって、センサES × tSの値が大きいほど、センサ反り量は小さくなる。また、図11において、温度が100℃となる場合の結果に注目すれば、図10に示した保持基板EI × tI = 32の場合の温度100℃の結果よりも急峻な曲線となるものの、センサES × tSの値が大きいほど、センサ反り量は小さくなる。すなわち、EI × tI = 8として、センサES × tSの値を変化させた場合、0℃と100℃でのセンサ反り量には、ある程度の差がある。
例えば、図11においても、センサES × tSの値が小さい領域が、図8A及び図8Bに示した半導体パッケージ100の構造(湾曲したセンサ113の構造)に対応する一方で、センサES × tSの値が大きい領域が、図9に示した半導体パッケージ100の構造(平坦なセンサ113の構造)に対応している。
そして、図11に示すように、保持基板EI × tI の値として、EI × tI = 8のように、ある程度小さな値となる場合には、センサES × tSの値を、ある程度大きな値としなければ、0℃と100℃等の温度の変化による反り温度変化量を小さくすることはできない。
以上のように、センサ113のES × tS の値が小さくても、保持基板114のEI × tIの値が大きければ、反り温度変化量は小さくなるし、保持基板114のEI × tIの値が小さくても、センサ113のES × tS の値が大きければ、やはり、反り温度変化量は小さくなる。そして、この関係は、保持基板114のEI × tIを変動させた場合も同様である。すなわち、センサ113と保持基板114の剛性の和が大きい時に、センサ113の反り温度変化量の安定性が維持できる。換言すれば、センサES × tSと保持基板EI × tI のうち、少なくとも一方の値が、大きな値となる必要がある。
なお、図10に示した第1のシミュレーションの結果の傾向を踏まえれば、センサES × tSが特に小さい(反り量が曲率半径100mm以下になる)領域においても、保持基板EI × tI が大きければ、反り温度変化量を小さくすることができる。
そして、本発明者は、この第1のシミュレーションの結果を解析することで、センサ113について、ヤング率をES(GPa),厚みをtS(mm)とし、保持基板114について、ヤング率をEI(GPa),厚みをtI(mm)としたときに、下記の式(1)の関係を満たすときに、センサ113の反り温度変化量の安定性が維持されることを見出した。
(EI × tI)+(ES × tS) > 30 ・・・(1)
ただし、式(1)の関係においては、図43を参照して後述するように、センサES × tSが、ES × tS < 10の関係を満たすように設計することで、センサ113を像面湾曲に合うように湾曲させて、保持基板114に搭載することが可能となる。
以上のように、第1のシミュレーションでは、半導体パッケージ100において、式(1)に示した、センサ113のヤング率と厚みを、ES(GPa),tS(mm)とし、保持基板114のヤング率と厚みを、EI(GPa),tI(mm)としたときに、(EI × tI)+(ES × tS) > 30 の関係を満たすように、センサ113と保持基板114の物性値を設計(調整)することで、センサ113の反り温度変化量の安定性が維持される、という結果が得られた。なお、第1のシミュレーションにおいて、保持基板114の線膨張係数(CTEI)は、CTEI = 3ppm/K程度に設定している。
(2)第2のシミュレーション
図12は、第2のシミュレーションの条件を示す図である。
図12は、図4に示した半導体パッケージ100において、センサ113を保持する保持基板114について、保持基板114の線膨張係数(CTEI)を変動させるときに、センサ113の反り量を、温度ごとに求めて、保持基板114の線膨張係数(CTEI)を調整できるようにした第2のシミュレーションの条件を表している。
ここで、図13には、第2のシミュレーションの結果として、本技術と従来技術での温度ごとのセンサ反り量の比較を示している。
ただし、図13において、縦軸は、センサ反り量を表し、横軸は、温度(℃)を表している。また、図13においては、本技術の結果と、従来技術の結果についてそれぞれ示している。
すなわち、本技術の結果は、図12(図4)に示した半導体パッケージ100において、保持基板114の線膨張係数(CTEI)の値を、CTEI = 3.05ppm/Kとした場合における、温度とセンサ反り量の関係を示している。一方で、従来技術の結果は、従来技術1の固体撮像装置(半導体装置)において、保持基板の線膨張係数(CTEI)の値を、CTEI = 7.5ppm/Kとした場合における、温度とセンサ反り量の関係を示している。
図13において、本技術の結果に注目すれば、-20℃〜100℃の範囲で、センサ反り量の値は、ほぼ一定の値となっている。一方で、従来技術の結果に注目すれば、右下がりの直線となって、温度が低いほど、センサ反り量は大きくなる。
以上のように、保持基板114の線膨張係数(CTEI)を変動させて、例えばCTEI = 3.05ppm/Kとした場合に、温度の変化に対し、センサ113の反り量をほぼ一定とすることができる。
そして、本発明者は、この第2のシミュレーションの結果を解析することで、保持基板114の線膨張係数をCTEI(ppm/K)としたときに、下記の式(2)の関係を満たすときに、温度の変化に対し、センサ113の反り量が、ほとんど変化しないようにできることを見出した。
1.5 < CTEI < 4.5 ・・・(2)
以上のように、第2のシミュレーションでは、半導体パッケージ100において、式(2)に示した、保持基板114の線膨張係数をCTEI(ppm/K)としたときに、1.5 < CTEI < 4.5 の関係を満たすように、保持基板114の物性値を設計(調整)することで、センサ113の反り温度変化量の安定性が維持される、という結果が得られた。
(5)第3のシミュレーション
図14は、第3のシミュレーションの条件を示す図である。
図14は、図4に示した半導体パッケージ100において、センサ113を保持する保持基板114の上面(光の入射側の面)と下面(光の入射側と反対側の面)に設けられた基板上回路116を構成する配線部材の体積を変動させるときに、センサ113の反り量を求めて、保持基板114の体積に対する基板上回路116を構成する配線部材の体積を調整できるようにした第3のシミュレーションの条件を表している。
なお、ここでは、保持基板114の体積 = 1としたときに、当該体積(保持基板114の体積)に対する基板上回路116を構成する配線部材の体積の割合を変動させるものとする。
ここで、図15には、第3のシミュレーションの結果として、温度ごとの回路を構成する配線部材の総体積とセンサ反り量の関係を示している。
ただし、図15において、縦軸は、センサ113の反り量(センサ反り量)を表し、横軸は、回路を構成する配線部材の総体積を表している。この回路の総体積は、保持基板114の体積 = 1としたときに、当該体積に対する基板上回路116を構成する配線部材の体積の割合で表している。また、図15においては、温度が、0℃となる場合の結果と、100℃となる場合の結果についてそれぞれ示している。
図15において、温度が0℃となる場合の結果に注目すれば、回路を構成する配線部材の総体積(保持基板114の体積に対する基板上回路116を構成する配線部材の体積)の割合が大きくなるほど、センサ反り量の値は大きくなる。一方で、回路を構成する配線部材の総体積(保持基板114の体積に対する基板上回路116を構成する配線部材の体積)の割合が小さくなるほど、センサ反り量の値は小さくなって、その割合がある値に達すると、センサ反り量の値は、ほぼ一定となる。
また、図15において、温度が100℃となる場合の結果に注目すれば、温度が0℃となる場合と比べて、そのセンサ反り量の値が全体的に小さいものの、回路を構成する配線部材の総体積(保持基板114の体積に対する基板上回路116を構成する配線部材の体積)の割合が小さくなるほど、センサ反り量の値は小さくなって、その割合がある値に達すると、センサ反り量の値は、ほぼ一定となる。
以上のように、保持基板114の体積に対する基板上回路116を構成する配線部材の体積の割合を変動させた場合に、その割合が小さいほど、センサ反り量は小さくなって、センサ113の反り量をほぼ一定とすることができる。
そして、本発明者は、この第3のシミュレーションの結果を解析することで、下記の式(3)の関係を満たすときに、温度の変化に対し、センサ113の反り量を、大きく低減できることを見出した。
基板上回路116を構成する配線部材の体積 ≦ 保持基板114の体積 × 1/10 ・・・(3)
ただし、式(3)の関係において、基板上回路116を構成する配線部材の体積は、保持基板114の上面と下面に設けられた導電性配線部材(引出し回路118を除く)としての基板上回路116の合計の体積を表している。また、基板上回路116において、回路は、配線部材(例えば、銅(Cu)等の金属)と、絶縁部材(例えば、ポリイミドのような樹脂)とを交互に積層させた構造を採用することができる。
以上のように、第3のシミュレーションでは、式(3)に示した、基板上回路116を構成する配線部材の体積 ≦ 保持基板114の体積 × 1/10 の関係を満たすように、基板上回路116の物性値を設計(調整)することで、センサ113の反り温度変化量の安定性が維持される、という結果が得られた。
(6)第4のシミュレーション
図16は、第4のシミュレーションの条件を示す図である。
図16は、図4に示した半導体パッケージ100において、センサ113を裏打ちする裏打ち部材121のEC × tCを変動させるときに、センサ113の反り量を、温度ごとに求めて、EC × tCを調整できるようにした第4のシミュレーションの条件を表している。
なお、上述したように、Ec(GPa),tc(mm)は、裏打ち部材121のヤング率と厚みを表している。また、第4のシミュレーションにおいては、条件C1ないしC3として、裏打ち部材121のEC × tCを、EC × tC = 約10,約12.5,約25のように変動させるものとする。
ここで、図17には、第4のシミュレーションの結果として、裏打ち部材121のEC × tC(裏打ち部材EC × tC)を変化させた場合の温度ごとのセンサ反り量の比較を示している。
ただし、図17において、縦軸は、センサ113の反り量(センサ反り量)を表し、横軸は、温度(℃)を表している。また、図17においては、条件C1(EC × tC = 約10)と、条件C2(EC × tC = 約12.5)と、条件C3(EC × tC = 約25)の場合におけるシミュレーションの結果についてそれぞれ示している。
ここで、図17において、条件C1と条件C2のシミュレーションの結果に注目すれば、-20℃〜100℃の範囲で、センサ反り量の値は、ほぼ一定の値となっている。また、条件C3のシミュレーションの結果に注目すれば、なだらかな右上がりの直線となって、温度が低いほど、センサ反り量は小さくなる。
このように、センサ113のサイズなどによって、最適な裏打ち部材121は異なるが、条件C1ないしC3の第4のシミュレーションの結果から、条件C1(EC × tC = 約10)と、条件C2(EC × tC = 約12.5)の場合には、センサ113の反り抑制効果が十分に得られ、条件C3(EC × tC = 約25)の場合には、ある程度の反り抑制効果が得られる。しかしながら、例えば、(EI × tI)+(ES × tS)が、本計算モデルよりも大きい場合には、EC × tC が40程度まで調整しろがあると想定される。
(7)第5のシミュレーション
図18は、第5のシミュレーションの条件を示す図である。
図18は、図16に示した第4のシミュレーションの条件と同様に、裏打ち部材121のEC × tCを変動させるときに、センサ113の反り量を、温度ごとに求めて、EC × tCを調整できるようにした第5のシミュレーションの条件を表している。
なお、図18の第5のシミュレーションにおいては、図16の第4のシミュレーションと比べて、半導体パッケージ100において、裏打ち部材121の上面(光の入射側の面)に設けられていた引出し回路118が取り除かれ、その高さに調整された調整部材141が設けられている。
また、第5のシミュレーションにおいては、条件C4ないしC6として、裏打ち部材121のEC × tCを、EC × tC = 約10,約12.5,約25のように変動させるものとする。なお、上述したように、Ec(GPa),tc(mm)は、裏打ち部材121のヤング率と厚みを表している。
ここで、図19には、第5のシミュレーションの結果として、裏打ち部材121のEC × tC(裏打ち部材EC × tC)を変化させた場合の温度ごとのセンサ反り量の比較を示している。
ただし、図19において、縦横の軸は、図17と同様とされる。また、図19においては、条件C4(EC × tC = 約10)と、条件C5(EC × tC = 約12.5)と、条件C6(EC × tC = 約25)の場合におけるシミュレーションの結果についてそれぞれ示している。
ここで、図19において、条件C4のシミュレーションの結果に注目すれば、-20℃〜100℃の範囲で、センサ反り量の値は、ほぼ一定の値となっている。また、条件C5と条件C6のシミュレーションの結果に注目すれば、なだらかな右上がりの直線となって、温度が低いほど、センサ反り量は小さくなる。
このように、センサ113のサイズなどによって、最適な裏打ち部材121は異なるが、条件C4ないしC6の第5のシミュレーションの結果から、条件C4(EC × tC = 約10)と、条件C5(EC × tC = 約12.5)の場合には、センサ113の反り抑制効果が十分に得られ、条件C6(EC × tC = 約25)の場合には、ある程度の反り抑制効果が得られる。しかしながら、例えば、(EI × tI)+(ES × tS)が、本計算モデルよりも大きい場合には、EC × tC が40程度まで調整しろがあると想定される。
そして、本発明者は、これらの第4のシミュレーションと第5のシミュレーションの結果を解析することで、裏打ち部材121について、ヤング率をEc(GPa),厚みをtc(mm)としたとき、下記の式(4)の関係を満たすときに、温度の変化に対し、センサ113の反り抑制効果が得られることを見出した。
(Ec × tc) < 40 ・・・(4)
以上のように、第4のシミュレーションと第5のシミュレーションでは、式(4)に示した、裏打ち部材121のヤング率と厚みを、Ec(GPa),tc(mm)としたときに、(Ec × tc) < 40 の関係を満たすように、裏打ち部材121の物性値を設計(調整)することで、センサ113の反り温度変化量の安定性が維持される、という結果が得られた。
なお、上述した各シミュレーションでは、図4に示した半導体パッケージ100の構造を中心に説明したが、図5に示した半導体パッケージ100の構造の場合であっても、同様のシミュレーション結果が得られる。
また、上述したシミュレーションでは説明していないが、センサ113の画素微細化が進展し、画素113Pの光量を上げるために、F値の小さいレンズ群111を用いる傾向があるのは、先に述べた通りである。そして、F値の小さいレンズ群11を用いた場合には、図2に示したように、レンズの焦点深度が浅くなるが、本技術においては、複数枚のレンズからなるレンズ群111を用い、その絞り解放時のF値を、2.8以下となる光学系とするのが、画素113Pの光量を上げるのに好適である。
次に、上述した各シミュレーションの結果得られた物性値を有する各部位を用いて構成される、本技術を適用した半導体装置の構造について説明する。以下の説明では、本技術を適用した半導体装置の構造として、センサ113の反り温度変化を抑制することが可能となる、第1の実施の形態ないし第6の実施の形態に示す構造について説明する。
<3.第1の実施の形態>
まず、図20ないし図23を参照して、第1の実施の形態の半導体装置の構造について説明する。
(第1の構造の例)
図20は、第1の実施の形態の半導体装置の第1の構造の例を示す断面図である。
図20において、半導体パッケージ100Aは、半導体チップとしてのセンサ113を収納してパッケージングしている、本技術を適用した半導体装置(撮像装置)である。
半導体パッケージ100Aは、レンズ群111、封止部材112、センサ113、保持基板114、貫通電極115、基板上回路116、部品117、引出し回路118、電極119、電極保護部材120、及び裏打ち部材121を含んで構成される。
レンズ群111は、複数枚のレンズから構成される。レンズ群111は、被写体からの光を、ガラス等の封止部材112を介して、センサ113の受光面に入射させる。
センサ113は、CCDイメージセンサやCMOSイメージセンサ等の固体撮像素子(半導体のイメージセンサ)である。センサ113は、レンズ群111によって入射される光を光電変換し、その結果得られる電気信号を出力する。
センサ113は、光電変換素子(例えばフォトダイオード)を有する複数の画素113Pが行列状に2次元配置される画素アレイ部(画素部)と、画素113Pの駆動などを行う周辺回路部(ロジック部)から構成される。
例えば、BI-CIS(Back Illuminated CMOS Image Sensor)においては、画素部とロジック部とが分かれるような構成となるが、ここでは、複雑な画素部及びロジック部を除いて、センサ113のバルク部分の材料のみを考えることとする。このセンサ113(のバルク部)の材料としては、例えば、シリコン(Si)が用いられる。
このとき、センサ113(のバルク部)の線膨張係数(CTE)は、例えば2.8ppm/K程度とされる。また、センサ113(のバルク部)のヤング率は、例えば190GPa程度とされる。さらに、センサ113(のバルク部)の厚みは、例えば150μmや、700μm以下の値などの任意の厚さとすることができる。
保持基板114は、センサ113を保持するためのコア基板である。保持基板114は、センサ保持形態として、センサ113の周辺部を受光面側から電極119で保持する構造を有している。そして、保持基板114には、その中央部に、矩形の形状からなる開口部が形成されており、この開口部を通過した光が、センサ113の受光面に入射される。
保持基板114の材料としては、例えば、無アルカリガラスを用いることができる。このとき、保持基板114において、線膨張係数(CTE)は、例えば3ppm/K程度とされ、ヤング率は、例えば80GPa程度とされ、厚みは、例えば400μmや、100〜500μmの範囲などとされる。なお、これらの物性値は、ガラス組成によって異なるものであるため、あくまで参考値とされる。
貫通電極115は、保持基板114を貫通して形成される電極であって、保持基板114の上面(光の入射側の面)と下面(光の入射側と反対側の面)に設けられる基板上回路116と電気的に接続される。貫通電極115の材料としては、例えば銅(Cu)を用いることができる。
基板上回路116は、導電性配線部材であって、例えば銅(Cu)とポリイミドの薄膜積層により構成される。なお、絶縁層としては、ポリイミドの他に、例えば、ポリベンゾオキサゾール(PBO:Polybenzoxazole)やエポキシ系、フェノール系の樹脂などを用いることができる。保持基板114の上面に設けられた基板上回路116上には、各種の部品117が設けられている。
引出し回路118は、例えばフレキシブルプリント基板(FPC:Flexible Printed Circuits)により構成され、例えば異方性導電膜(ACF:Anisotropic Conductive Film)により基板上回路116と電気的に接続される。
電極119は、保持基板114の下面に設けられる基板上回路116と、センサ113とを電気的に接続する。電極119の材料としては、例えば金(Au)を用いることができる。このとき、電極119において、線膨張係数(CTE)は、例えば14.2ppm/K程度とされ、ヤング率は、例えば79GPa程度とされる。
また、電極119は、電極保護部材120により保護されている。電極保護部材120の材料としては、例えば樹脂材を用いることができる。このとき、電極保護部材120において、線膨張係数(CTE)は、例えば数10〜数100ppm/K程度とされ、ヤング率は、例えば2〜12GPa程度とされる。なお、電極保護部材120のヤング率は、電極119のヤング率に近いほうが望ましい。
裏打ち部材121は、センサ113を裏打ちする部材である。裏打ち部材121は、センサ113の下面(光の入射側と反対側の面)と接着剤122により固定され、引出し回路118とは接着剤123により固定される。裏打ち部材121は、その厚み等を調整することで、センサ113の反り量(センサ反り量)の調整が可能となる。
裏打ち部材121の材料としては、例えば銅(Cu)を用いることができる。このとき、裏打ち部材121において、線膨張係数(CTE)は、例えば16.8ppm/K程度とされ、ヤング率は、例えば125GPa程度とされ、厚みは、例えば100μmや、50〜300μmの範囲などとされる。
なお、接着剤122の材料としては、例えば高放熱樹脂材料(TIM:Thermal Interface Material)を用いることができる。このとき、接着剤122において、線膨張係数(CTE)は、例えば数10〜数100ppm/K程度とされ、ヤング率は、例えば0.01〜10MPaや、0.01〜1MPa程度とされ、厚みは、例えば50μm未満の値などとされる。
また、接着剤123の材料としては、例えば樹脂材を用いることができる。このとき、接着剤123において、線膨張係数(CTE)は、例えば数10〜数100ppm/K程度とされ、ヤング率は、例えば10MPa程度の値とされ、厚みは、例えば50μm未満の値などとされる。
以上のように構成される半導体パッケージ100Aにおいては、上述した各シミュレーションの結果得られた物性値を有する材料を各部位に用いて構成されるようにすることで、保持基板114により保持されるセンサ113であって、裏打ち部材121により裏打ちされるセンサ113の反り温度変化を抑制することができる。
例えば、第1の実施の形態では、上述した式(2)の関係(例えば、CTEI = 3程度)は満たしているため、上述した式(1)、式(3)、及び式(4)の関係を満たすように調整することで、反り変化量を抑制することができる。その際に、式(1)の関係のみでも、所望の反り変化量を達成できる場合もあり得るし、達成できない場合には、例えば、式(3)、式(4)の順に、その関係を満たすように調整をしていくようにすればよい。
なお、図20の半導体パッケージ100Aにおいて、各材料の物性値は一例であって、採用される構造などに応じて最適な物性値を用いることができる。また、各部材の物性値は、いずれも0℃における値を想定している。
(第2の構造の例)
図21は、第1の実施の形態の半導体装置の第2の構造の例を示す断面図である。
図21において、半導体パッケージ100Bは、図20の半導体パッケージ100Aと同様に、センサ113を収納してパッケージングしている。その一方で、図21の半導体パッケージ100Bにおいては、図20の半導体パッケージ100Aと比べて、封止部材112と保持基板114の代わりに、フィルタ部材212と保持基板214が設けられている点が異なる。
すなわち、図21の半導体パッケージ100Bにおいて、保持基板214には、開口部が形成されておらず、センサ113の上面(光の入射側の面)と保持基板214の下面(光の入射側と反対側の面)との間には、画素保護部材131が形成されている。
保持基板214は、センサ保持形態として、保持基板114と同様に、センサ113の周辺部を受光面側から電極119で保持する構造を有している。また、保持基板214の材料としては、保持基板114と同様に、例えば、無アルカリガラスを用いることができる。このとき、保持基板214において、線膨張係数(CTE)は、例えば3ppm/K程度とされ、ヤング率は、例えば80GPa程度とされ、厚みは、例えば400μmや、100〜500μmの範囲などとされる。
画素保護部材131は、センサ113の受光面上に設けられる複数の画素113Pを保護するための部材である。画素保護部材131の材料としては、例えば樹脂材を用いることができる。このとき、画素保護部材131において、線膨張係数(CTE)は、例えば数10〜数100ppm/K程度とされ、ヤング率は、例えば2〜12GPa程度とされる。
なお、図21の半導体パッケージ100Bにおいて、センサ113や裏打ち部材121等の他の部位で用いられる材料やその物性値としては、図20を参照して説明した材料やその物性値と同様のものを用いることができる。
以上のように構成される半導体パッケージ100Bにおいては、上述した各シミュレーションの結果得られた物性値を有する材料を各部位に用いて構成されるようにすることで(例えば、上述した式(2)の関係を満たすことを前提に、上述した式(1)、式(3)、式(4)の関係をさらに満たすように調整することで)、保持基板214により保持されるセンサ113であって、裏打ち部材121により裏打ちされるセンサ113の反り温度変化を抑制することができる。
(第3の構造の例)
図22は、第1の実施の形態の半導体装置の第3の構造の例を示す断面図である。
図22において、半導体パッケージ100Cは、図20の半導体パッケージ100Aと同様に、センサ113を収納してパッケージングしている。その一方で、図22の半導体パッケージ100Cにおいては、図20の半導体パッケージ100Aと比べて、一方の引出し回路118(図中の左側の引出し回路118)が、その高さに調整された調整部材136に置き換えられている。
調整部材136の材料としては、例えば、樹脂材を用いることができる。このとき、調整部材136において、線膨張係数(CTE)は、例えば数10ppm/K程度とされ、ヤング率は、例えば数10GPa程度とされる。
図22の半導体パッケージ100Cにおいて、センサ113や保持基板114、裏打ち部材121等の他の部位で用いられる材料やその物性値としては、図20を参照して説明した材料やその物性値と同様のものを用いることができる。
以上のように構成される半導体パッケージ100Cにおいては、上述した各シミュレーションの結果得られた物性値を有する材料を各部位に用いて構成されるようにすることで(例えば、上述した式(2)の関係を満たすことを前提に、上述した式(1)、式(3)、式(4)の関係をさらに満たすように調整することで)、センサ113の反り温度変化を抑制することができる。
(第4の構造の例)
図23は、第1の実施の形態の半導体装置の第4の構造の例を示す断面図である。
図23において、半導体パッケージ100Dは、図20の半導体パッケージ100Aと同様に、センサ113を収納してパッケージングしている。その一方で、図23の半導体パッケージ100Dにおいては、図20の半導体パッケージ100Aと比べて、図中の左側と右側の引出し回路118が、その高さに調整された調整部材141に置き換えられている。
この調整部材141は、裏打ち部材121と一体に構成され、その材料としては、例えば銅(Cu)を用いることができる。このとき、調整部材141と一体に構成される裏打ち部材121において、線膨張係数(CTE)は、例えば16.8ppm/K程度とされ、ヤング率は、例えば125GPa程度とされ、厚みは、例えば100μmや、50〜300μmの範囲などとされる。
なお、半導体パッケージ100Dにおいて、引出し回路118は、保持基板114の下面の任意の位置に設けられ、基板上回路116と電気的に接続される。また、図22の半導体パッケージ100Dにおいて、センサ113や保持基板114、裏打ち部材121等の他の部位で用いられる材料やその物性値としては、図20を参照して説明した材料やその物性値と同様のものを用いることができる。
以上のように構成される半導体パッケージ100Dにおいては、上述した各シミュレーションの結果得られた物性値を有する材料を各部位に用いて構成されるようにすることで(例えば、上述した式(2)の関係を満たすことを前提に、上述した式(1)、式(3)、式(4)の関係をさらに満たすように調整することで)、センサ113の反り温度変化を抑制することができる。
以上、第1の実施の形態の半導体装置の構造について説明した。
<4.第2の実施の形態>
次に、第2の実施の形態の半導体装置の構造について説明する。なお、第2の実施の形態の半導体装置の断面構造は、上述した第1の実施の形態の半導体装置の断面構造とほぼ同様であるため、図示は省略している。
第2の実施の形態の半導体装置においては、センサ113を保持する形態として、センサ113の周辺部分を、受光面側から、基板電極としての電極119によって保持する構造を採用する場合に、当該電極119を、ヤング率が4GPa以上のフィラー含有樹脂材料等により保護されるようにする。このようにして、電極119を保護することで、副次的にセンサ113を基板に保持する力を強くでき、これによって、センサ113の反りに対して、さらなる熱安定性を得ることができる。
すなわち、図20の半導体パッケージ100A、図22の半導体パッケージ100C、及び、図23の半導体パッケージ100Dにおいては、保持基板114によって、センサ113の周辺部を、受光面側から電極119により保持する構造を有しているが、この電極119を、ヤング率が4GPa以上のフィラー含有樹脂材料等により保護することになる。
また、図21の半導体パッケージ100Bにおいては、保持基板214によって、センサ113の周辺部を電極119により保持しているが、この電極119を、ヤング率が4GPa以上のフィラー含有樹脂材料等により保護することができる。
なお、第2の実施の形態の半導体装置としての、半導体パッケージ100A,100B,100C,100Dにおいて、センサ113や保持基板114(保持基板214)、裏打ち部材121等の他の部位で用いられる材料やその物性値としては、上述した第1の実施の形態で説明した材料やその物性値と同様のものを用いることができる。
以上、第2の実施の形態の半導体装置の構造について説明した。
<5.第3の実施の形態>
次に、図24ないし図27を参照して、第3の実施の形態の半導体装置の構造について説明する。
(第1の構造の例)
図24は、第3の実施の形態の半導体装置の第1の構造の例を示す断面図である。
図24において、半導体パッケージ100Eは、高さを調整するための調整部材136が設けられた半導体パッケージ100C(図22)を左右に2台並べて、連結(結合)したような構造からなり、センサ113−1とセンサ113−2の2つのイメージセンサ(いわゆる二眼式イメージセンサ)を有している。
図24の半導体パッケージ100Eにおいて、図中の左側の保持基板114−1の下面には、調整部材136−1が形成され、図中右側の保持基板114−2の下面には、調整部材136−2が形成される。また、図中右側の保持基板114−2の下面にのみ、引出し回路118−2が設けられている。
なお、図24の半導体パッケージ100Eにおいて、センサ113−1,113−2や保持基板114−1,114−2、裏打ち部材121、調整部材136−1,136−2等の各部位で用いられる材料やその物性値としては、図20や図22を参照して説明した材料やその物性値と同様のものを用いることができる。
ここで、半導体パッケージ100Eにおいては、保持基板114−1及び保持基板114−2からなる保持基板上に、あるいはそれらの保持基板の近傍に、センサ113−1及びセンサ113−2以外の発熱体として、部品117−1及び部品117−2が搭載された構造となっている。
以上のように構成される半導体パッケージ100Eにおいては、上述した各部位で用いられる材料やその物性値を調整することで(例えば、上述した式(1)ないし式(4)のいずれかの関係を満たすように調整することで)、より多くの発熱体が搭載されているにもかかわらず、温度の変化に対し、センサ反り量をほぼ一定とすることが可能となり、センサ反りの熱安定性に対する恩恵がより得られることになる。
(第2の構造の例)
図25は、第3の実施の形態の半導体装置の第2の構造の例を示す断面図である。
図25において、半導体パッケージ100Fは、半導体パッケージ100C(図22)の保持基板114を、図中の右側に拡張(伸張)したような構造からなり、拡張された保持基板114の上面と下面には、部品146がそれぞれ設けられている。部品146は、例えば、慣性センサやプロセッサ、レーザ、レギュレータ等の部品である。
なお、図25の半導体パッケージ100Fにおいて、センサ113や保持基板114、裏打ち部材121、調整部材136等の各部位で用いられる材料やその物性値としては、図20や図22を参照して説明した材料やその物性値と同様のものを用いることができる。
ここで、半導体パッケージ100Fにおいては、拡張された保持基板114の上面と下面に、センサ113以外の発熱体として、部品146が搭載された構造となっている。
以上のように構成される半導体パッケージ100Fにおいては、上述した各部位で用いられる材料やその物性値を調整することで(例えば、上述した式(1)ないし式(4)のいずれかの関係を満たすように調整することで)、より多くの発熱体が搭載されているにもかかわらず、温度の変化に対し、センサ反り量をほぼ一定とすることが可能となり、センサ反りの熱安定性に対する恩恵がより得られることになる。
(第3の構造の例)
図26は、第3の実施の形態の半導体装置の第3の構造の例を示す断面図である。
図26において、半導体パッケージ100Gは、図25の半導体パッケージ100Fと同様に、保持基板114が拡張されているが、拡張された保持基板114の上面にのみ、慣性センサ等の部品146が設けられている。
なお、図26の半導体パッケージ100Gにおいて、センサ113や保持基板114、裏打ち部材121、調整部材136等の各部位で用いられる材料やその物性値としては、図20や図22を参照して説明した材料やその物性値と同様のものを用いることができる。
以上のように構成される半導体パッケージ100Gにおいては、拡張された保持基板114の上面にのみ、センサ113以外の発熱体として、部品146が搭載されているが、上述した各部位で用いられる材料やその物性値を調整することで(例えば、上述した式(1)ないし式(4)のいずれかの関係を満たすように調整することで)、センサ反りの熱安定性に対する恩恵がより得られることになる。
(第4の構造の例)
図27は、第3の実施の形態の半導体装置の第4の構造の例を示す断面図である。
図27において、半導体パッケージ100Hは、図25の半導体パッケージ100Fと同様に、保持基板114が拡張されているが、拡張された保持基板114の下面にのみ、慣性センサ等の部品146が設けられている。
なお、図27の半導体パッケージ100Hにおいて、センサ113や保持基板114、裏打ち部材121、調整部材136等の各部位で用いられる材料やその物性値としては、図20や図22を参照して説明した材料やその物性値と同様のものを用いることができる。
以上のように構成される半導体パッケージ100Hにおいては、拡張された保持基板114の下面にのみ、センサ113以外の発熱体として、部品146が搭載されているが、上述した各部位で用いられる材料やその物性値を調整することで(例えば、上述した式(1)ないし式(4)のいずれかの関係を満たすように調整することで)、センサ反りの熱安定性に対する恩恵がより得られることになる。
以上、第3の実施の形態の半導体装置の構造について説明した。
<6.第4の実施の形態>
次に、図28を参照して、第4の実施の形態の半導体装置の構造について説明する。
(構造の例)
図28は、第4の実施の形態の半導体装置の構造の例を示す上面図である。
図28において、半導体パッケージ100Iは、図20の半導体パッケージ100A等と同様の断面構造を有し、センサ113を保持する形態として、センサ113の周辺部分を、受光面側から、基板電極としての電極119によって保持する構造を採用している。
なお、図28の半導体パッケージ100Iにおいて、センサ113や保持基板114、電極119等の各部位で用いられる材料やその物性値としては、図20等を参照して説明した材料やその物性値と同様のものを用いることができる。
ここで、半導体パッケージ100Iにおいては、保持基板114の下面側に設けられる基板電極として、矩形の形状からなるセンサ113(保持基板114に形成された開口部)の3辺(図中の下方の辺、左方の辺、及び右方の辺)に沿って、それぞれ5つの電極119(3辺の合計15個の電極119)が設けられている。そして、それらの電極119(3辺の合計15個の電極119)によって、センサ113の周辺部分(保持基板114の開口部の3辺に応じた部分)を、受光面側から保持した構造となっている。
すなわち、半導体パッケージ100Iにおいては、センサ113(保持基板114の開口部)の各辺の電極配置に偏りがある構造となっている。なお、図28においては、センサ113の3辺に沿って電極119が設けられる場合を説明したが、このような3辺配置に限らず、例えば、センサ113の2辺(例えば、図中の左方の辺と右方の辺)に沿って電極119が配置される2辺配置の場合にも、センサ113の各辺の電極配置に偏りがある構造となる。
換言すれば、半導体パッケージ100Iでは、センサ113を保持する形態として、基板電極によって、センサ113の周辺部分を受光面側から保持する構造において、センサ113の受光面がレンズ群111に向かって凹状に湾曲し、かつ、センサ113の各辺に対する電極119の配置に偏りがある構造となっている。
以上のように構成される半導体パッケージ100Iにおいては、センサ113の受光面がレンズ群111に向かって凹状に湾曲し、かつ、センサ113の各辺に対する電極119の配置に偏りがある構造となるが、上述した式(1)ないし式(4)の関係を満たすことで、保持基板114によるセンサ113の保持が安定するため、凹状に湾曲されたセンサ113での偏心を抑制することができる。
以上、第4の実施の形態の半導体装置の構造について説明した。
<7.第5の実施の形態>
次に、図29を参照して、第5の実施の形態の半導体装置の構造について説明する。
(構造の例)
図29は、第5の実施の形態の半導体装置の構造の例を示す断面図である。
図29において、半導体パッケージ100Jは、図20の半導体パッケージ100A等と同様の断面構造を有し、さらに、保持基板114の上面側に、レンズ群111を駆動するための機構が設けられている。この駆動機構は、第1部材151、第2部材152、及び第3部材153から構成されるレンズ構造体を有し、第1部材151内に収納される第2部材152が、モータ等によって、光軸方向に駆動されることで、第2部材152内に保持されたレンズ群111を駆動することができる。
半導体パッケージ100Jにおいては、第1部材151が、保持基板114の上面に設けられた基板上回路116に対し、接着剤154により固定され、第3部材153が、固定用部材155を介して、はんだ156により固定されることで、レンズ構造体が、保持基板114上に搭載されることになる。
なお、図29においては、図示していないが、上述のレンズ群111の駆動の代わりに、半導体パッケージ100J単体を駆動、半導体パッケージ100J単体の駆動とレンズ群111の駆動の組み合わせ、若しくは、半導体パッケージ100Jとレンズ群111とを一体に駆動するなどの、手ぶれ補正用の機構を設けるようにしてもよい。
図29の半導体パッケージ100Jにおいて、センサ113や保持基板114、電極119等の各部位で用いられる材料やその物性値としては、図20等を参照して説明した材料やその物性値と同様のものを用いることができる。
以上のように構成される半導体パッケージ100Jにおいては、保持基板114上に、レンズ群111や手ぶれ補正の駆動機構を搭載することが可能となるが、上述した各部位で用いられる材料やその物性値を調整することで(例えば、上述した式(1)ないし式(4)のいずれかの関係を満たすように調整することで)、センサ反りの熱安定性を維持しつつ、レンズや機構の搭載精度を向上させることができる。
以上、第5の実施の形態の半導体装置の構造について説明した。
<8.第6の実施の形態>
次に、図30ないし図33を参照して、第6の実施の形態の半導体装置の構造について説明する。
(第1の構造の例)
図30は、第6の実施の形態の半導体装置の第1の構造の例を示す断面図である。
図30において、半導体パッケージ100Kは、高さを調整するための調整部材136が設けられた半導体パッケージ100C(図22)等と同様の断面構造を有しているが、センサ113の受光面が、レンズ群111に向かって凹状に湾曲している点が異なっている。
図30の半導体パッケージ100Kにおいて、センサ113や保持基板114、電極119、調整部材136等の材料やその物性値としては、図22等を参照して説明した材料やその物性値と同様のものを用いることができる。
ただし、第1のシミュレーション(図8)の結果から得られたように、センサ113の曲率半径として、100mm以下に設計(光学設計)することで、周辺光量の低下の問題を改善することが可能となるのは、先に述べた通りである。
また、第4のシミュレーション(図16,図17)と、第5のシミュレーション(図18,図19)の結果から得られたように、裏打ち部材121のEC × tCとして、(Ec × tc) < 40の関係(式(4))を満たすようにすることで、センサ113の反り抑制効果が得られることは、先に述べた通りである。なお、裏打ち部材121は、凹状に湾曲されたセンサ113に対応した形状となるが、ここでは、例えば、センサ113が固定されていない部分(最も厚い部分)の厚さや、調整部材136を含まない水平状になっている部分間の距離などを、厚みtCとして採用することができる。
以上のように構成される半導体パッケージ100Kにおいては、センサ113の受光面が、レンズ群111に向かって凹状に湾曲している構造となるが、例えば、センサ113の曲率半径を、100mm以下に設計したり、あるいは、裏打ち部材121のヤング率と厚みを、Ec(GPa),tc(mm)としたときに、(Ec × tc) < 40の関係を満たすように、裏打ち部材121の材料の物性値を調整したりすることで、周辺光量の問題を改善しつつ、センサ113の反り温度変化を抑制することができる。
(第2の構造の例)
図31は、第6の実施の形態の半導体装置の第2の構造の例を示す断面図である。
図31において、半導体パッケージ100Lは、図30の半導体パッケージ100Kと同様に、センサ113の受光面が湾曲しているが、このセンサ113を裏打ちする裏打ち部材121の厚みが、より薄くなるような構造からなる。
そのため、半導体パッケージ100K(図30)では、裏打ち部材121に対し、センサ113の下面の全面が固定されていたが、半導体パッケージ100L(図31)では、裏打ち部材121に対し、センサ113の下面の一部の面のみが固定されている。また、裏打ち部材121上には、調整部材136が、図中の左側だけでなく、図中の右側にも設けられている。
図31の半導体パッケージ100Lにおいて、センサ113や保持基板114、電極119、調整部材136等の材料やその物性値としては、図22等を参照して説明した材料やその物性値と同様のものを用いることができる。ただし、裏打ち部材121のEC × tCを調整する際の厚みtCとしては、例えば、センサ113が固定されていない部分(最も厚い部分)の厚さなどを採用することができる。
以上のように構成される半導体パッケージ100Lにおいては、センサ113の受光面が、レンズ群111に向かって凹状に湾曲している構造となるが、例えば、センサ113の曲率半径を、100mm以下に設計したり、あるいは、裏打ち部材121のヤング率と厚みを、Ec(GPa),tc(mm)としたときに、(Ec × tc) < 40の関係を満たすように、裏打ち部材121の材料の物性値を調整したりすることで、周辺光量の問題を改善しつつ、センサ113の反り温度変化を抑制することができる。
(第3の構造の例)
図32は、第6の実施の形態の半導体装置の第3の構造の例を示す断面図である。
図32において、半導体パッケージ100Mは、図30の半導体パッケージ100Kと同様に、センサ113の受光面が湾曲しているが、裏打ち部材121に形成された溝部に対し、センサ113の下面の一部の面が、浮いたような構造からなる。また、図32の半導体パッケージ100Mは、図31の半導体パッケージ100Lと比べて、図中の左側と右側の調整部材136が、裏打ち部材121と一体に構成される調整部材141に置き換えられている。
図32の半導体パッケージ100Mにおいて、センサ113や保持基板114、電極119、調整部材141等の材料やその物性値としては、図23等を参照して説明した材料やその物性値と同様のものを用いることができる。ただし、裏打ち部材121のEC × tCを調整する際の厚みtCとしては、例えば、センサ113が固定されていない部分(最も厚い部分)の厚さなどを採用することができる。
以上のように構成される半導体パッケージ100Mにおいては、センサ113の受光面が、レンズ群111に向かって凹状に湾曲している構造となるが、例えば、センサ113の曲率半径を、100mm以下に設計したり、あるいは、裏打ち部材121のヤング率と厚みを、Ec(GPa),tc(mm)としたときに、(Ec × tc) < 40の関係を満たすように、裏打ち部材121の材料の物性値を調整したりすることで、周辺光量の問題を改善しつつ、センサ113の反り温度変化を抑制することができる。
(第4の構造の例)
図33は、第6の実施の形態の半導体装置の第4の構造の例を示す断面図である。
図33において、半導体パッケージ100Nは、図30の半導体パッケージ100Kと同様に、センサ113の受光面が湾曲しているが、このセンサ113を裏打ちする裏打ち部材121の厚みが、均一になるような構造からなる。この裏打ち部材121の上面には、接着剤122によって、センサ113が固定される。また、図33の半導体パッケージ100Nは、図30の半導体パッケージ100K等とは異なり、調整部材136等の調整部材は設けられていない。
図33の半導体パッケージ100Nにおいて、センサ113や保持基板114、電極119等の材料やその物性値としては、図20等を参照して説明した材料やその物性値と同様のものを用いることができる。ただし、裏打ち部材121のEC × tCを調整する際の厚みtCとしては、厚みが均一であるため、例えば、その均一な厚さなどを採用することができる。
以上のように構成される半導体パッケージ100Nにおいては、センサ113の受光面が、レンズ群111に向かって凹状に湾曲している構造となるが、例えば、センサ113の曲率半径を、100mm以下に設計したり、あるいは、裏打ち部材121のヤング率と厚みを、Ec(GPa),tc(mm)としたときに、(Ec × tc) < 40の関係を満たすように、裏打ち部材121の材料の物性値を調整したりすることで、周辺光量の問題を改善しつつ、センサ113の反り温度変化を抑制することができる。
以上、第6の実施の形態の半導体装置の構造について説明した。
<9.変形例>
(1)第1の実施の形態の半導体装置の変形例
まず、図34ないし図37を参照して、第1の実施の形態の半導体装置の変形例の構造について説明する。
(第1の構造の例)
図34は、第1の実施の形態の半導体装置の変形例の第1の構造の例を示す断面図である。
図34において、半導体パッケージ100A’は、図20の半導体パッケージ100Aとほぼ同様の構造を有しているが、保持基板114に、貫通電極115が形成されていない点が異なる。また、半導体パッケージ100A’においては、部品117が、保持基板114の上面ではなく、下面に設けられ、同一の面に設けられる引出し回路118の位置とサイズが調整されている。
以上のように構成される半導体パッケージ100A’においては、上述した各シミュレーションの結果得られた物性値を有する材料を各部位に用いて構成されるようにすることで(例えば、上述した式(1)ないし式(4)のいずれかの関係を満たすように調整することで)、センサ113の反り温度変化を抑制することができる。
(第2の構造の例)
図35は、第1の実施の形態の半導体装置の変形例の第2の構造の例を示す断面図である。
図35において、半導体パッケージ100B’は、図21の半導体パッケージ100Bとほぼ同様の構造を有しているが、保持基板214に、貫通電極115が形成されていない点が異なる。また、半導体パッケージ100B’においては、部品117が、保持基板214の上面ではなく、下面に設けられ、同一の面に設けられる引出し回路118の位置とサイズが調整されている。
以上のように構成される半導体パッケージ100B’においては、上述した各シミュレーションの結果得られた物性値を有する材料を各部位に用いて構成されるようにすることで(例えば、上述した式(1)ないし式(4)のいずれかの関係を満たすように調整することで)、センサ113の反り温度変化を抑制することができる。
(第3の構造の例)
図36は、第1の実施の形態の半導体装置の変形例の第3の構造の例を示す断面図である。
図36において、半導体パッケージ100C’は、図22の半導体パッケージ100Cとほぼ同様の構造を有しているが、保持基板114に、貫通電極115が形成されていない点が異なる。また、半導体パッケージ100C’においては、部品117が、保持基板114の上面ではなく、下面に設けられ、同一の面に設けられる引出し回路118及び調整部材136の位置とサイズが調整されている。
以上のように構成される半導体パッケージ100C’においては、上述した各シミュレーションの結果得られた物性値を有する材料を各部位に用いて構成されるようにすることで(例えば、上述した式(1)ないし式(4)のいずれかの関係を満たすように調整することで)、センサ113の反り温度変化を抑制することができる。
(第4の構造の例)
図37は、第1の実施の形態の半導体装置の変形例の第4の構造の例を示す断面図である。
図37において、半導体パッケージ100D’は、図23の半導体パッケージ100Dとほぼ同様の構造を有しているが、保持基板114に、貫通電極115が形成されていない点が異なる。また、半導体パッケージ100D’においては、部品117が、保持基板114の上面ではなく、下面に設けられ、同一の面に設けられる調整部材141の位置とサイズが調整されている。
以上のように構成される半導体パッケージ100D’においては、上述した各シミュレーションの結果得られた物性値を有する材料を各部位に用いて構成されるようにすることで(例えば、上述した式(1)ないし式(4)のいずれかの関係を満たすように調整することで)、センサ113の反り温度変化を抑制することができる。
(2)第1の実施の形態の半導体装置の第3の構造の変形例
次に、図38ないし図40を参照して、第1の実施の形態の半導体装置の第3の構造の変形例について説明する。
(第1の構造ないし第3の構造の例)
図38は、第1の実施の形態の半導体装置の第3の構造の変形例(第1の構造ないし第3の構造)を示す上面図である。
図38において、半導体パッケージ100C’は、図22の半導体パッケージ100Cに対応しているが、引出し回路118に対して設けられる調整部材136を、上方から見たときの形状が異なっている。なお、図38の半導体パッケージ100C’では、その構造を分かりやすくするために、基板上回路116、部品117、及び裏打ち部材121等の図示を省略している。
(第1の構造の例)
図38Aは、第1の実施の形態の半導体装置の第3の構造の変形例の第1の構造の例を示す上面図である。
図38Aにおいて、半導体パッケージ100C’は、センサ113を収納してパッケージングしている。図38Aの半導体パッケージ100C’において、矩形の形状からなるセンサ113の周囲の4辺のうち、下方の1辺の側には、引出し回路118が形成され、残りの3辺の側には、調整部材136が形成されている。なお、3辺の側に形成された調整部材136は、接続(結合)されている。
(第2の構造の例)
図38Bは、第1の実施の形態の半導体装置の第3の構造の変形例の第2の構造の例を示す上面図である。
図38Bにおいて、半導体パッケージ100C’は、センサ113を収納してパッケージングしている。図38Bの半導体パッケージ100C’において、センサ113の周囲の4辺のうち、下方の1辺の側には、引出し回路118が形成される。また、下方の1辺を含む4辺の側には、センサ113を囲むように、調整部材136が形成されている。なお、4辺の側に形成された調整部材136は、接続(結合)されている。
(第3の構造の例)
図38Cは、第1の実施の形態の半導体装置の第3の構造の変形例の第3の構造の例を示す上面図である。
図38Cにおいて、半導体パッケージ100C’は、センサ113を収納してパッケージングしている。図38Cの半導体パッケージ100C’において、センサ113の周囲の4辺のうち、下方の1辺の側には、引出し回路118が形成され、上方の1辺の側にのみ、調整部材136が形成されている。
(第4の構造の例)
図39は、第1の実施の形態の半導体装置の第3の構造の変形例(第4の構造の例)を示す断面図である。
図39において、半導体パッケージ100C’は、図22の半導体パッケージ100Cとほぼ同様の構造を有しているが、裏打ち部材121上の調整部材136が、図中の左側だけでなく、図中の右側にもその幅を調整して設けられ、さらに、引出し回路118が、裏打ち部材121から切り離されている点が異なる。
(第5の構造の例)
図40は、第1の実施の形態の半導体装置の第3の構造の変形例(第5の構造の例)を示す断面図である。
図40において、半導体パッケージ100C’は、図22の半導体パッケージ100Cとほぼ同様の構造を有しているが、裏打ち部材121上の調整部材136が、図中の右側にも設けられるとともに、引出し回路118が、裏打ち部材121から切り離され、さらに、保持基板114の上面だけでなく、下面にも、部品117が設けられている点が異なる。
以上のように、図22に示した半導体パッケージ100Cは、図38ないし図40に示した半導体パッケージ100C’として、様々なバリエーションの構造を採用することができる。また、ここでは、半導体パッケージ100Cを一例に説明したが、他の半導体パッケージ100の構造についても、上述した各シミュレーションの結果得られた物性値を有する材料を、各部位に用いさえすれば、様々なバリエーションの構造を採用することができる。
(3)第1の実施の形態ないし第6の実施の形態の半導体装置の変形例
次に、図41ないし図42を参照して、第1の実施の形態ないし第6の実施の形態の半導体装置の変形例について説明する。
(第1の構造ないし第3の構造の例)
図41は、第1の実施の形態ないし第6の実施の形態の変形例(第1の構造ないし第3の構造)を示す断面図である。
図41においては、半導体パッケージ100Aないし100N(図20ないし図33)の一部であって、保持基板114(保持基板214)と、裏打ち部材121との間に設けられる引出し回路118の周辺を抜き出して、図示している。
(第1の構造)
図41Aは、第1の実施の形態ないし第6の実施の形態の変形例の第1の構造の例を示す断面図である。
図41Aにおいて、裏打ち部材121の上面に固定される引出し回路118は、上述した接着剤123ではなく、導電部材161によって固定されている。導電部材161の材料としては、例えば、はんだや導電ペーストなどを用いることができる。このような導電部材161を用いることで、基板上回路116や引出し回路118と、裏打ち部材121とが導通され、電気的に接続することができる。
(第2の構造)
図41Bは、第1の実施の形態ないし第6の実施の形態の変形例の第2の構造の例を示す断面図である。
図41Bにおいては、調整部材136や調整部材141等の調整部材の代わりに、所定の高さに調整された導電部材161が設けられている。すなわち、図41Bの導電部材161は、基板上回路116と裏打ち部材121とを電気的に接続するだけでなく、高さを調節するための役割も担っている。
(第3の構造)
図41Cは、第1の実施の形態ないし第6の実施の形態の変形例の第3の構造の例を示す断面図である。
図41Cにおいては、調整部材136等の調整部材とともに、導電部材161が設けられている。すなわち、図41Cの導電部材161は、高さを調整する役割は、調整部材136に任せて、基板上回路116と裏打ち部材121とを電気的に接続する役割を担っている。なお、この場合において、裏打ち部材121の上面に固定される調整部材136は、接着剤123により固定するようにしてもよいし、あるいは、はんだや導電ペーストなどからなる導電部材161が形成されることにより、固定されるようにしてもよい。
(第4の構造ないし第6の構造の例)
図42は、第1の実施の形態ないし第6の実施の形態の変形例(第4の構造ないし第6の構造)を示す上面図である。
図42においては、図41に示した半導体パッケージ100Aないし100N(図20ないし図33)で、引出し回路118に対して設けられる導電部材161を、上方から見たときの様子を図示しているが、その形状が異なっている。なお、図42においては、その構造を分かりやすくするために、基板上回路116、部品117、裏打ち部材121、及び調整部材136等の図示を省略している。
(第4の構造)
図42Aは、第1の実施の形態ないし第6の実施の形態の変形例の第4の構造の例を示す上面図である。
図42Aにおいては、矩形の形状からなるセンサ113の周囲の4辺のうち、下方の1辺の側には、引出し回路118が形成される。また、下方の1辺を含む4辺の側には、センサ113を囲むように、導電部材161が形成されている。
ただし、図42Aにおいては、センサ113の周囲の4辺のうち、上方、左方、及び右方の3辺の側に形成される導電部材161−1は、電気的に接続されている。その一方で、センサ113の周囲の4辺のうち、下方の1辺の側に形成される導電部材161−2は、他の導電部材161−1とは接続されずに、引出し回路118と電気的に接続されている。
(第5の構造)
図42Bは、第1の実施の形態ないし第6の実施の形態の変形例の第5の構造の例を示す上面図である。
図42Bにおいては、センサ113の周囲の4辺のうち、下方の1辺の側には、引出し回路118が形成される。また、下方の1辺を含む4辺の側には、センサ113を囲むように、導電部材161が形成されている。
ただし、図42Bにおいては、センサ113の周囲の4辺のすべての側に形成される導電部材161は、電気的に接続されている。なお、センサ113の周囲の4辺のうち、下方の1辺の側に形成される導電部材161は、引出し回路118とは接続されていない。
(第6の構造)
図42Cは、第1の実施の形態ないし第6の実施の形態の変形例の第6の構造の例を示す上面図である。
図42Cにおいては、センサ113の周囲の4辺のうち、下方の1辺の側には、引出し回路118が形成される。また、下方の1辺を含む4辺の側には、センサ113を囲むように、導電部材161が形成されている。
ただし、図42Cにおいては、センサ113の周囲の4辺のすべての側に形成される導電部材161は、接着剤123と交互に形成されている。
具体的には、センサ113の周囲の4辺のうち、上方と下方の側には、導電部材161と、接着剤123と、導電部材161のパターンが3回繰り返されている。一方で、センサ113の周囲の4辺のうち、左方と右方の側には、導電部材161と、接着剤123と、導電部材161のパターンが2回繰り返されている。なお、これらの繰り返しのパターンは、一例であり、他のパターンを採用してもよい。
以上のように、半導体パッケージ100Aないし100N(図20ないし図33)においては、はんだや導電ペースト等からなる導電部材161を取り入れた構造を採用することができる。
(4)製造方法の例
図43は、湾曲したセンサ113を、保持基板114に搭載する際の製造方法の例を示す図である。
図43に示した製造方法を用いることで、半導体パッケージ100(図4等)において、センサ搭載ツール126に搭載されるセンサ113のヤング率をES(GPa),厚みをtS(mm)としたとき、ES × tS が特に小さい(センサ113の反り量が、曲率半径100mm以下となる)領域の構造を実現することができる。
図43においては、電極119が、保持基板114の下面に設けられる基板上回路116と電気的に接続されることで、センサ搭載ツール126に搭載されたセンサ113の周辺部が、受光面側から保持される。なお、センサ113が搭載されるセンサ搭載ツール126には、真空吸着用の孔部が形成されている。このように、センサ搭載ツール126を用いることで、センサ113を湾曲させて(例えば、曲率半径100mm以下として)、保持基板114に搭載することができる。
以上のように、図43に示した製造方法を用いることで、像面湾曲に合うように、センサ113を強制的に湾曲させることができる。このとき、センサ113のヤング率と厚みを、ES(GPa),tS(mm)としたときに、ES × tS < 10の関係を満たすように設計した場合であっても、上述した式(1)の関係、すなわち、センサ113のヤング率と厚みを、ES(GPa),tS(mm)とし、保持基板114のヤング率と厚みを、EI(GPa),tI(mm)としたときの、(EI × tI)+(ES × tS) > 30 の関係を担保することはできるため、センサ113の反り温度変化量の安定性を維持することは可能である。
<10.電子機器の構成>
図44は、本技術を適用した半導体装置を有する電子機器の構成例を示すブロック図である。
図44において、電子機器1000は、例えば、デジタルスチルカメラやビデオカメラ等の撮像装置や、スマートフォンやタブレット型端末等の撮像機能を有する携帯端末装置などの電子機器である。
図44において、電子機器1000は、半導体パッケージ1001、DSP(Digital Signal Processor)回路1002、フレームメモリ1003、表示部1004、記録部1005、操作部1006、及び電源部1007から構成される。また、電子機器1000において、DSP回路1002、フレームメモリ1003、表示部1004、記録部1005、操作部1006、及び、電源部1007は、バスライン1008を介して相互に接続されている。
半導体パッケージ1001は、図20ないし図33に示した半導体パッケージ100Aないし100Nに対応しており、その構造として、例えば、上述した第1の実施の形態ないし第6の実施の形態のいずれかに対応した構造が採用される。半導体パッケージ1001は、センサ1011を収納してパッケージングしている。センサ1011は、上述したセンサ113に対応している。
DSP回路1002は、半導体パッケージ1001から供給される信号を処理する信号処理回路である。DSP回路1002は、半導体パッケージ1001からの信号を処理して得られる画像データを出力する。フレームメモリ1003は、DSP回路1002により処理された画像データを、フレーム単位で一時的に保持する。
表示部1004は、例えば、液晶パネルや有機EL(Electro Luminescence)パネル等のパネル型表示装置からなり、半導体パッケージ1001で撮像された動画又は静止画を表示する。記録部1005は、半導体パッケージ1001で撮像された動画又は静止画の画像データを、半導体メモリやハードディスク等の記録媒体に記録する。
操作部1006は、ユーザによる操作に従い、電子機器1000が有する各種の機能についての操作指令を出力する。電源部1007は、DSP回路1002、フレームメモリ1003、表示部1004、記録部1005、及び、操作部1006の動作電源となる各種の電源を、これら供給対象に対して適宜供給する。
電子機器1000は、以上のように構成される。電子機器1000においては、半導体パッケージ1001として、図20ないし図33に示した半導体パッケージ100Aないし100Nを適用することで、半導体パッケージ1001に収納されたセンサ1011の反りの熱安定性を十分に担保して、熱に対して安定的な光学系を提供することができる。その結果として、例えば、撮像画像の高画質化を図ることができる。
<11.イメージセンサの使用例>
図45は、本技術を適用した半導体装置に収納されるイメージセンサの使用例を示す図である。
半導体パッケージ100に収納されるセンサ113としてのイメージセンサは、例えば、以下のように、可視光や、赤外光、紫外光、X線等の光をセンシングする様々なケースに使用することができる。すなわち、図45に示すように、鑑賞の用に供される画像を撮影する鑑賞の分野だけでなく、例えば、交通の分野、家電の分野、医療・ヘルスケアの分野、セキュリティの分野、美容の分野、スポーツの分野、又は、農業の分野などにおいて用いられる装置でも、イメージセンサを使用することができる。
具体的には、鑑賞の分野において、例えば、デジタルカメラやスマートフォン、カメラ機能付きの携帯電話機等の、鑑賞の用に供される画像を撮影するための装置(例えば、図44の電子機器1000)で、イメージセンサを使用することができる。
交通の分野において、例えば、自動停止等の安全運転や、運転者の状態の認識等のために、自動車の前方や後方、周囲、車内等を撮影する車載用センサ、走行車両や道路を監視する監視カメラ、車両間等の測距を行う測距センサ等の、交通の用に供される装置で、イメージセンサを使用することができる。なお、自動車等の移動体に搭載される装置については、図46及び図47を参照して後述する。
家電の分野において、例えば、ユーザのジェスチャを撮影して、そのジェスチャに従った機器操作を行うために、テレビ受像機や冷蔵庫、エアーコンディショナ等の家電に供される装置で、イメージセンサを使用することができる。また、医療・ヘルスケアの分野において、例えば、内視鏡や、赤外光の受光による血管撮影を行う装置等の、医療やヘルスケアの用に供される装置で、イメージセンサを使用することができる。
セキュリティの分野において、例えば、防犯用途の監視カメラや、人物認証用途のカメラ等の、セキュリティの用に供される装置で、イメージセンサを使用することができる。また、美容の分野において、例えば、肌を撮影する肌測定器や、頭皮を撮影するマイクロスコープ等の、美容の用に供される装置で、イメージセンサを使用することができる。
スポーツの分野において、例えば、スポーツ用途等向けのアクションカメラやウェアラブルカメラ等の、スポーツの用に供される装置で、イメージセンサを使用することができる。また、農業の分野において、例えば、畑や作物の状態を監視するためのカメラ等の、農業の用に供される装置で、イメージセンサを使用することができる。
<12.移動体への応用例>
本開示に係る技術(本技術)は、様々な製品へ応用することができる。例えば、本開示に係る技術は、自動車、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、自動二輪車、自転車、パーソナルモビリティ、飛行機、ドローン、船舶、ロボット等のいずれかの種類の移動体に搭載される装置として実現されてもよい。
図46は、本開示に係る技術が適用され得る移動体制御システムの一例である車両制御システムの概略的な構成例を示すブロック図である。
車両制御システム12000は、通信ネットワーク12001を介して接続された複数の電子制御ユニットを備える。図46に示した例では、車両制御システム12000は、駆動系制御ユニット12010、ボディ系制御ユニット12020、車外情報検出ユニット12030、車内情報検出ユニット12040、及び統合制御ユニット12050を備える。また、統合制御ユニット12050の機能構成として、マイクロコンピュータ12051、音声画像出力部12052、及び車載ネットワークI/F(interface)12053が図示されている。
駆動系制御ユニット12010は、各種プログラムにしたがって車両の駆動系に関連する装置の動作を制御する。例えば、駆動系制御ユニット12010は、内燃機関又は駆動用モータ等の車両の駆動力を発生させるための駆動力発生装置、駆動力を車輪に伝達するための駆動力伝達機構、車両の舵角を調節するステアリング機構、及び、車両の制動力を発生させる制動装置等の制御装置として機能する。
ボディ系制御ユニット12020は、各種プログラムにしたがって車体に装備された各種装置の動作を制御する。例えば、ボディ系制御ユニット12020は、キーレスエントリシステム、スマートキーシステム、パワーウィンドウ装置、あるいは、ヘッドランプ、バックランプ、ブレーキランプ、ウィンカー又はフォグランプ等の各種ランプの制御装置として機能する。この場合、ボディ系制御ユニット12020には、鍵を代替する携帯機から発信される電波又は各種スイッチの信号が入力され得る。ボディ系制御ユニット12020は、これらの電波又は信号の入力を受け付け、車両のドアロック装置、パワーウィンドウ装置、ランプ等を制御する。
車外情報検出ユニット12030は、車両制御システム12000を搭載した車両の外部の情報を検出する。例えば、車外情報検出ユニット12030には、撮像部12031が接続される。車外情報検出ユニット12030は、撮像部12031に車外の画像を撮像させるとともに、撮像された画像を受信する。車外情報検出ユニット12030は、受信した画像に基づいて、人、車、障害物、標識又は路面上の文字等の物体検出処理又は距離検出処理を行ってもよい。
撮像部12031は、光を受光し、その光の受光量に応じた電気信号を出力する光センサである。撮像部12031は、電気信号を画像として出力することもできるし、測距の情報として出力することもできる。また、撮像部12031が受光する光は、可視光であっても良いし、赤外線等の非可視光であっても良い。
車内情報検出ユニット12040は、車内の情報を検出する。車内情報検出ユニット12040には、例えば、運転者の状態を検出する運転者状態検出部12041が接続される。運転者状態検出部12041は、例えば運転者を撮像するカメラを含み、車内情報検出ユニット12040は、運転者状態検出部12041から入力される検出情報に基づいて、運転者の疲労度合い又は集中度合いを算出してもよいし、運転者が居眠りをしていないかを判別してもよい。
マイクロコンピュータ12051は、車外情報検出ユニット12030又は車内情報検出ユニット12040で取得される車内外の情報に基づいて、駆動力発生装置、ステアリング機構又は制動装置の制御目標値を演算し、駆動系制御ユニット12010に対して制御指令を出力することができる。例えば、マイクロコンピュータ12051は、車両の衝突回避あるいは衝撃緩和、車間距離に基づく追従走行、車速維持走行、車両の衝突警告、又は車両のレーン逸脱警告等を含むADAS(Advanced Driver Assistance System)の機能実現を目的とした協調制御を行うことができる。
また、マイクロコンピュータ12051は、車外情報検出ユニット12030又は車内情報検出ユニット12040で取得される車両の周囲の情報に基づいて駆動力発生装置、ステアリング機構又は制動装置等を制御することにより、運転者の操作に拠らずに自律的に走行する自動運転等を目的とした協調制御を行うことができる。
また、マイクロコンピュータ12051は、車外情報検出ユニット12030で取得される車外の情報に基づいて、ボディ系制御ユニット12020に対して制御指令を出力することができる。例えば、マイクロコンピュータ12051は、車外情報検出ユニット12030で検知した先行車又は対向車の位置に応じてヘッドランプを制御し、ハイビームをロービームに切り替える等の防眩を図ることを目的とした協調制御を行うことができる。
音声画像出力部12052は、車両の搭乗者又は車外に対して、視覚的又は聴覚的に情報を通知することが可能な出力装置へ音声及び画像のうちの少なくとも一方の出力信号を送信する。図46の例では、出力装置として、オーディオスピーカ12061、表示部12062及びインストルメントパネル12063が例示されている。表示部12062は、例えば、オンボードディスプレイ及びヘッドアップディスプレイの少なくとも一つを含んでいてもよい。
図47は、撮像部12031の設置位置の例を示す図である。
図47では、車両12100は、撮像部12031として、撮像部12101,12102,12103,12104,12105を有する。
撮像部12101,12102,12103,12104,12105は、例えば、車両12100のフロントノーズ、サイドミラー、リアバンパ、バックドア及び車室内のフロントガラスの上部等の位置に設けられる。フロントノーズに備えられる撮像部12101及び車室内のフロントガラスの上部に備えられる撮像部12105は、主として車両12100の前方の画像を取得する。サイドミラーに備えられる撮像部12102,12103は、主として車両12100の側方の画像を取得する。リアバンパ又はバックドアに備えられる撮像部12104は、主として車両12100の後方の画像を取得する。撮像部12101及び12105で取得される前方の画像は、主として先行車両又は、歩行者、障害物、信号機、交通標識又は車線等の検出に用いられる。
なお、図47には、撮像部12101ないし12104の撮影範囲の一例が示されている。撮像範囲12111は、フロントノーズに設けられた撮像部12101の撮像範囲を示し、撮像範囲12112,12113は、それぞれサイドミラーに設けられた撮像部12102,12103の撮像範囲を示し、撮像範囲12114は、リアバンパ又はバックドアに設けられた撮像部12104の撮像範囲を示す。例えば、撮像部12101ないし12104で撮像された画像データが重ね合わせられることにより、車両12100を上方から見た俯瞰画像が得られる。
撮像部12101ないし12104の少なくとも1つは、距離情報を取得する機能を有していてもよい。例えば、撮像部12101ないし12104の少なくとも1つは、複数の撮像素子からなるステレオカメラであってもよいし、位相差検出用の画素を有する撮像素子であってもよい。
例えば、マイクロコンピュータ12051は、撮像部12101ないし12104から得られた距離情報を基に、撮像範囲12111ないし12114内における各立体物までの距離と、この距離の時間的変化(車両12100に対する相対速度)を求めることにより、特に車両12100の進行路上にある最も近い立体物で、車両12100と略同じ方向に所定の速度(例えば、0km/h以上)で走行する立体物を先行車として抽出することができる。さらに、マイクロコンピュータ12051は、先行車の手前に予め確保すべき車間距離を設定し、自動ブレーキ制御(追従停止制御も含む)や自動加速制御(追従発進制御も含む)等を行うことができる。このように運転者の操作に拠らずに自律的に走行する自動運転等を目的とした協調制御を行うことができる。
例えば、マイクロコンピュータ12051は、撮像部12101ないし12104から得られた距離情報を元に、立体物に関する立体物データを、2輪車、普通車両、大型車両、歩行者、電柱等その他の立体物に分類して抽出し、障害物の自動回避に用いることができる。例えば、マイクロコンピュータ12051は、車両12100の周辺の障害物を、車両12100のドライバが視認可能な障害物と視認困難な障害物とに識別する。そして、マイクロコンピュータ12051は、各障害物との衝突の危険度を示す衝突リスクを判断し、衝突リスクが設定値以上で衝突可能性がある状況であるときには、オーディオスピーカ12061や表示部12062を介してドライバに警報を出力することや、駆動系制御ユニット12010を介して強制減速や回避操舵を行うことで、衝突回避のための運転支援を行うことができる。
撮像部12101ないし12104の少なくとも1つは、赤外線を検出する赤外線カメラであってもよい。例えば、マイクロコンピュータ12051は、撮像部12101ないし12104の撮像画像中に歩行者が存在するか否かを判定することで歩行者を認識することができる。かかる歩行者の認識は、例えば赤外線カメラとしての撮像部12101ないし12104の撮像画像における特徴点を抽出する手順と、物体の輪郭を示す一連の特徴点にパターンマッチング処理を行って歩行者か否かを判別する手順によって行われる。マイクロコンピュータ12051が、撮像部12101ないし12104の撮像画像中に歩行者が存在すると判定し、歩行者を認識すると、音声画像出力部12052は、当該認識された歩行者に強調のための方形輪郭線を重畳表示するように、表示部12062を制御する。また、音声画像出力部12052は、歩行者を示すアイコン等を所望の位置に表示するように表示部12062を制御してもよい。
以上、本開示に係る技術が適用され得る車両制御システムの一例について説明した。本開示に係る技術は、以上説明した構成のうち、撮像部12031に適用され得る。具体的には、図20ないし図33に示した半導体パッケージ100Aないし100Nは、撮像部12031に適用することができる。撮像部12031に本開示に係る技術を適用することにより、半導体パッケージ100に収納されたセンサ113の反りの熱安定性を十分に担保して、熱に対して安定的な光学系を提供し、撮像画像の高画質化を図ることができるため、例えば、より正確に歩行者等の対象を認識することが可能となる。
なお、本技術の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本技術の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。
また、本技術は、以下のような構成をとることができる。
(1)
センサと、
前記センサを保持する保持基板と
を備え、
前記センサについて、ヤング率をES(GPa),厚みをtS(mm)とし、
前記保持基板について、線膨張係数をCTEI(ppm/K),ヤング率をEI(GPa),厚みをtI(mm)としたとき、
(EI × tI)+(ES × tS) > 30、
かつ、1.5 < CTEI < 4.5
を満たしている
半導体装置。
(2)
前記保持基板は、前記センサの周辺部分を、受光面側から基板電極により保持する構造を有し、
前記保持基板に形成される導電性配線部材の合計体積が、前記保持基板の体積の1/10以下となる
前記(1)に記載の半導体装置。
(3)
前記センサを裏打ちする裏打ち部材をさらに備え、
前記裏打ち部材について、ヤング率をEc(GPa),厚みをtc(mm)としたとき、
(Ec × tc) < 40
を満たしている
前記(1)又は(2)に記載の半導体装置。
(4)
複数枚のレンズからなるレンズ群をさらに備え、
前記センサは、その曲率半径が100mm以下で、前記レンズ群に向かって凹形状に湾曲した湾曲センサである
前記(1)ないし(3)のいずれかに記載の半導体装置。
(5)
ES × tS < 10
を満たしている
前記(4)に記載の半導体装置。
(6)
複数枚のレンズからなるレンズ群をさらに備え、
前記レンズ群のF値は、2.8以下となる
前記(1)ないし(3)のいずれかに記載の半導体装置。
(7)
前記保持基板上に、発熱体としての部品が搭載される
前記(1)ないし(6)のいずれかに記載の半導体装置。
(8)
前記保持基板上に、前記レンズ群を駆動するための機構が搭載される
前記(4)に記載の半導体装置。
(9)
前記センサは、複数の画素が行列状に2次元配置された画素部を有するイメージセンサである
前記(1)ないし(8)のいずれかに記載の半導体装置。
(10)
センサと、
前記センサを保持する保持基板と
を有し、
前記センサについて、ヤング率をES(GPa),厚みをtS(mm)とし、
前記保持基板について、線膨張係数をCTEI(ppm/K),ヤング率をEI(GPa),厚みをtI(mm)としたとき、
(EI × tI)+(ES × tS) > 30、
かつ、1.5 < CTEI < 4.5
を満たしている
半導体装置
を搭載した電子機器。
100,100Aないし100N 半導体パッケージ, 111 レンズ群, 112 封止部材, 113 センサ, 113P 画素, 114 保持基板, 115 貫通電極, 116 基板上回路, 117 部品, 118 引出し回路, 119 電極, 120 電極保護部材, 121 裏打ち部材, 122 接着剤, 123 接着剤, 131 画素保護部材, 136 調整部材, 141 調整部材, 146 部品, 151 第1部材, 152 第2部材, 153 第3部材, 161 導電部材, 212 フィルタ部材, 214 保持基板, 1000 電子機器, 1001 半導体パッケージ, 1011 センサ, 12031 撮像部

Claims (10)

  1. センサと、
    前記センサを保持する保持基板と
    を備え、
    前記センサについて、ヤング率をES(GPa),厚みをtS(mm)とし、
    前記保持基板について、線膨張係数をCTEI(ppm/K),ヤング率をEI(GPa),厚みをtI(mm)としたとき、
    (EI × tI)+(ES × tS) > 30、
    かつ、1.5 < CTEI < 4.5
    を満たしている
    半導体装置。
  2. 前記保持基板は、前記センサの周辺部分を、受光面側から基板電極により保持する構造を有し、
    前記保持基板に形成される導電性配線部材の合計体積が、前記保持基板の体積の1/10以下となる
    請求項1に記載の半導体装置。
  3. 前記センサを裏打ちする裏打ち部材をさらに備え、
    前記裏打ち部材について、ヤング率をEc(GPa),厚みをtc(mm)としたとき、
    (Ec × tc) < 40
    を満たしている
    請求項2に記載の半導体装置。
  4. 複数枚のレンズからなるレンズ群をさらに備え、
    前記センサは、その曲率半径が100mm以下で、前記レンズ群に向かって凹形状に湾曲した湾曲センサである
    請求項3に記載の半導体装置。
  5. ES × tS < 10
    を満たしている
    請求項4に記載の半導体装置。
  6. 複数枚のレンズからなるレンズ群をさらに備え、
    前記レンズ群のF値は、2.8以下となる
    請求項3に記載の半導体装置。
  7. 前記保持基板上に、発熱体としての部品が搭載される
    請求項1に記載の半導体装置。
  8. 前記保持基板上に、前記レンズ群を駆動するための機構が搭載される
    請求項4に記載の半導体装置。
  9. 前記センサは、複数の画素が行列状に2次元配置された画素部を有するイメージセンサである
    請求項1に記載の半導体装置。
  10. センサと、
    前記センサを保持する保持基板と
    を有し、
    前記センサについて、ヤング率をES(GPa),厚みをtS(mm)とし、
    前記保持基板について、線膨張係数をCTEI(ppm/K),ヤング率をEI(GPa),厚みをtI(mm)としたとき、
    (EI × tI)+(ES × tS) > 30、
    かつ、1.5 < CTEI < 4.5
    を満たしている
    半導体装置
    を搭載した電子機器。
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