JP4571627B2

JP4571627B2 - 接合された直線アレイを有する画像センサー

Info

Publication number: JP4571627B2
Application number: JP2006516186A
Authority: JP
Inventors: リゴザ、ティエリ; ジリ、ブルーノ
Original assignee: Atmel Grenoble SA
Current assignee: Atmel Grenoble SA
Priority date: 2003-06-27
Filing date: 2004-06-25
Publication date: 2010-10-27
Anticipated expiration: 2024-06-25
Also published as: US7675014B2; EP1639808A1; US20060238631A1; EP1639808B1; DE602004005861D1; CA2528133C; FR2856872A1; FR2856872B1; DE602004005861T2; CA2528133A1; JP2009514257A; WO2005002208A1

Description

本発明は画像とセンサーの間の相対的平行移動により動作する大寸法の画像センサーの製作に関する。それらは従って直線センサーであり、すなわちセンサーは一つ以上の線の光電性検出器を備え、画像とセンサーの間の相対的平行移動の間に二次元で、つまり一次元は光電性検出器の線の方向、また一次元はこの列に直角な方向に全体の画像を再構成するよう意図されている。

この定義は複数の線を有する直線アレイ・センサーを含み、特に複数の検出線による同じ画像の線の連続的な観察によって、検出のＳＮ比を改善することを意図した複数の線、又は数十もの線を備え得るＴＤＩ（遅延積算）タイプの直線センサーを含む。

特定の用途、例えば人工衛星からの地球観察のために、単一のシリコン・チップから製作できる以上の長大な長さの直線センサーを製作することが望ましく、この目的で複数のチップがそれらの長手方向に各端部同士を一直線に並べられてもよい。

図１はそれぞれが個々の半導体チップＰ１、Ｐ２、Ｐ３．．．をアレイの形で持っている、複数のパッケージＢ１、Ｂ２、Ｂ３．．．のプリント配線基板１０上の列の平面図を表わし、各チップは該チップの接続端子とパッケージの接続端子の間にハンダ付けされた電線により、そのパッケージに電気的に接続されている。

この配置の欠点は不感地帯の存在である。たとえ光電性ポイントが実際にチップのエッジに達し、又たとえチップが実際にパッケージのエッジに達するとしても、二つのチップの間の境界での接合域は光電性ポイント（又は画像検出における画素）を含まない。事実、画素はチップのエッジから殆ど約５０μｍより近くには達せず、またチップは同じオーダーの許容差を伴ってのみパッケージのエッジに達することができる。約１０μｍのピッチを有する画素では、約１０個の画素が隣接するパッケージの各接合域において欠落するおそれがある。センサーの相対変位につれて次第に再構成される全体の画像が平行移動の方向に暗黒の列を含むため、これは許容できない。

図２はこの欠点を解決するために既に試みられている解決策の横断面を表わす。撮影用光学的部分は検出される画像を直接光電性センサーの上に投影せず、光ファイバーの束Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３の組の平らな入口面上に投影する。ファイバーの束Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３は隣接して並び、それらの入口面側では互いの間に隙間を残さない。しかしながら、それぞれの束はその出口面が直線アレイの有効長さだけを占めるように、チップに向いた側を締めることにより変形させられる。不感地帯はこうして除去される。この解決策は特に束の出口が、各アレイのアクティブな光電性の長さを正確に占有するように、ファイバーの束の並置及びこれらの束の変形において必要とされる極度の精密さのために、非常に高価である。

図３は想定されうる更に実用的な解決策を表わす。チップは接合しているが、互い違いの形である。それらは従って整列しておらず、又はより正確には、それらは二つの整列したチップのグループに分割され、該二つのグループが二つの平行な列を形成しており、第二グループの各チップは第一グループの二つの離れたチップの間に置かれているが、第一グループのチップの列からは偏倚している。二つのチップの列の間の距離はチップのパッケージの長さより小さい。パッケージは従って列の方向に平行なエッジに沿って互いに対し端部で支えている。隣接したチップの端部は絶対にデッドゾーンがないように、互いの重なりの中に検出域部分を備える。二つのグループの列の軸間距離はパッケージの幅Ｌに等しい。それは完全に分っており、平行移動速度Ｖを考慮に入れながら平行移動において撮影する場合、画像の線は同時にではなく、チップが同じ画像の線を同時には見ないという事実を補うＬ／Ｖの時間間隔をもって、二つの隣接するチップにより提供される情報を組み合わせることにより再構成される。

この解決策は、二つのチップ列の間の距離がより大きい事よりも相応に更に問題のある、ひずみ及び不安定性のリスクを伴って最終画像を再構成する必要性と関連する欠点に悩まされている。ところでその距離はパッケージの幅に等しく、すなわち数センチメートルである。

これらの欠点を制限する一つの可能な解決策は図４に表わされる。チップは全てパッケージのエッジに置かれ、チップをパッケージに接続している全ての電線はチップの片側に再配置されている。チップは依然として互い違いであり、従ってそれらが提供する信号は、この偏倚が今や実際にはチップの幅のみであり、もはやパッケージの幅ではないが、該チップ列の軸の偏倚を考慮に入れて再構成を行なうために処理されなければならない。

不幸にして、この解決策は接続端子を片側のみに有する特定のチップ設計を要するため高価であり、またそれはチップが交替に反転しているため該チップが一つの列に属するか又は他の列に属するかによって、二つの異なる構成部品の使用が更に必要になることがある。しかしながら、反転は必ずしもチップの動作に適合しない。これは特にＴＤＩ（遅延積算）モードで動作している多重直線アレイ、あるいはスペクトルの異なる色又は範囲に相当する、画素の複数の列を有するマルチスペクトル画像化アレイの場合である。それはチップの反転が双方の場合に信号処理上の問題を伴うからである。従ってこの解決策は実施が困難である。

不感地帯を避けるための光電性領域の互いの重なりを伴う、互い違いの接合を更に改善するため、本発明は主にそのパッケージが従来の場合のように単に長方形である代わりに、実質的にチップと同じ幅で、またチップ間に必要な互いの重なりと実質的に等しい長さを有する、二つの小さい横への延長部を備えたセンサーに関する。該チップは実際にこれらの延長部（接続端子を含まない）の全体をカバーする。二つのパッケージの延長部は、チップの列に平行なそれらの側面を通じて（物理的接触又は殆ど物理的接触寸前で）隣接している。横への延長部の領域内の基板には接続端子はない。

従って特別の構成部品を設計する必要がなく（これは端子がチップの両側に位置することが可能なためである）、また図４の配置の場合のように各列に一個ずつの、二つの異なる構成部品を持つ必要なしに、チップの幅又はほぼそれに近い軸間距離を有する互い違いの接合が存在する。

本発明は従って、各アレイよりも長大な長さを有する直線画像センサーを形成するために組み合わされた、複数の直線画像検出アレイを含む画像センサーに関し、該アレイは、長方形の二つの対向する短い辺の上に実質的にアレイの端部により覆われている二つの延長部を備えた、その上面が細長い四角の形状を有するパッケージ上に搭載され、該パッケージは互い違いの形で取り付けられて、二つのパッケージはそれぞれの各延長部を通じて隣接していることを特徴とする。これらの延長部は長方形の短辺よりも小さい幅を有する。それらを全て同一にすることができ、反転なしに並列できるように、パッケージには接続端子がない。

それでもなお、この長方形パッケージのチップを支えている延長部なしに、該チップがこの長方形パッケージから突き出ている、或る変形が想定されてもよい。この変形は、それが特に衝撃及び振動の視点から必ずしも厳しい環境条件に適合していないチップを応力の支配下に置くため、さほど好ましくない。他方で、チップをその裏面全体で接地することは、放熱に対してと同様に良くない。

本発明によるこれらの二つの可能性を考慮に入れるために、発明に対する以下の一般的定義が表わされている。センサーに対する画像の相対的な平行移動により動作する大寸法の画像センサーであって、複数の個別のモノリシック・チップを含み、前記複数の個別のモノリシック・チップが平行移動の方向（Ｏｘ）に対して垂直な二つの平行な列に配置され、前記モノリシック・チップのそれぞれが前記平行移動の方向（Ｏｘ）に対して垂直な直線画像を検出可能であり、前記二つの平行な列の第一の列の前記モノリシック・チップが前記二つの平行な列の第二の列の前記モノリシック・チップに対して相対的に前記平行移動の方向（Ｏｘ）へ偏倚して整列し、前記第二の列の前記モノリシック・チップが前記第一の列の前記モノリシック・チップに対して互い違いに配置され、前記第一の列及び第二の列のそれぞれの前記モノリシック・チップがそれぞれのパッケージの上面に取り付けられ、前記モノリシック・チップの接続端子と該モノリシック・チップが取り付けられたパッケージの上面の接続端子との間が接続配線で接続されている画像センサーにおいて、前記パッケージの上面は、該パッケージに取り付けられた前記モノリシック・チップの長さより短く、該モノリシック・チップの幅よりも広い長方形の形状を有し、該長方形の長手方向の各端部に突起部を有し、前記モノリシック・チップは、該モノリシック・チップのパッケージの両前記突起部に延伸し、該延伸した領域に光電性ポイントを有し、前記パッケージの全ての接続端子が該パッケージの前記突起部を除いた長方形の形状内にあり、前記第一の列の前記モノリシック・チップのパッケージの前記突起部の該列に平行な側が前記第二の列の前記モノリシック・チップのパッケージの前記突起部の該列に平行な側と隣接し、全ての前記モノリシック・チップが同一形状で、全ての前記パッケージが同一形状であり、前記パッケージが他の前記パッケージに対して反転することなく配置されている。

従ってチップの端部は、本発明によれば空間へ、又は長方形の全体の長手方向に長方形領域を延長しているパッケージの延長部の上へ突き出ている。

チップ突出部の下にある二つの延長部を有する長方形のパッケージを伴った実施形態において、列方向の長さと画像の平行移動方向の幅におけるこれらの延長部の寸法は、この延長部を覆う突き出たチップ部分の長さと幅よりもほんの僅かに大きいことが好ましい。チップがパッケージ上にまずく位置決めされるリスクを考慮に入れるため、位置決めの許容寸法誤差、例えばチップまわりで５０〜１００μｍだけのオーダーの許容寸法誤差が設けられている。

本発明のその他の特徴及び利点は、添付図に関連して与えられる以下の詳細な記述を読むことにより明らかになろう。

図５はチップの端部の間に部分的な重なりを有する、互い違いに接合している複数の直線チップを伴う本発明による直線センサーを示す。互い違いのチップは二つの平行な列を形成し、その軸はセンサーに対する画像の平行移動方向Ｏｘに直角な直線Ｄ１及びＤ２である。

第一列はそれぞれが個々のパッケージＢ１、Ｂ３に保持される奇数列の直線チップＰ１、Ｐ３等を含み、チップの中心を直線的に通っている線は直線Ｄ１である。第二列は個々のパッケージＢ２、Ｂ４等に保持される偶数列の直線チップＰ２、Ｐ４を含み、それらの中心線は直線Ｄ２である。

直線Ｄ１とＤ２はチップの幅（Ｏｘ方向に沿って測った幅で、例えば数ｍｍに等しい）と同じか、僅かに（例えば１００〜２００μｍ）大きい距離Ｌだけ離れている。この幅は直線Ｄ１とＤ２の間隔Ｌが図３にあるものよりも相当に小さくなるように、それらを支持しているパッケージの幅（１又は数ｃｍ）よりも相当に小さい。チップは図４の場合とは異なり、全て同一でそれらのパッケージ上に同一に取り付けられている。

全て同一のパッケージは、チップが直線アレイ（一列又は数列）であるため細長い全体形状を有し、それらは従って直線Ｄ１及びＤ２に平行な二つの長辺と、それらの長辺の端部における二つの短辺を有する。短辺はそれぞれパッケージを直線Ｄ１及びＤ２の方向に延ばす延長部又は「突起」を備える。パッケージ上に取り付けられているチップは、パッケージが延長部分の領域でチップ面を越えてはみ出るように、僅かな余裕（５０から１００μｍ）がそれでもなお延長部の全てのエッジに設けられてもよいが、基本的にこの延長部を覆っている。

互い違いのパッケージはそれらの延長部を介してお互いに対し支えている。該パッケージは直線Ｄ１及びＤ２に平行なエッジに沿って接触する。他方で、パッケージの延長部は延長部のない全てのパッケージ短辺部に対し支えてもよい。

従ってパッケージは延長部の寸法（幅と長さ）が精密に加工されている限り、お互いに対して非常に正確に位置する。

延長部の幅（平行移動方向Ｏｘ）はチップの幅よりほんの僅かだけ大きいため、チップとパッケージ間の接続はパッケージ上面の主要領域のみでなされ、延長部ではなされない。延長部におけるパッケージ上面には接続端子はない。

言い換えれば、パッケージの上面は二つの長辺と短辺を伴う細長い長方形を有し、延長部が各々の短辺で長方形から突き出ており、そして接続端子はパッケージの主要領域を構成する長方形の内側に全て位置し、延長部は補助領域を構成している。

互い違いのチップは延長部の領域において互いに重なり、すなわちチップは延長部の領域において有用な光電性ポイントを備え、奇数列のチップの光電性ポイントは与えられた画像の線を、隣接する偶数列のチップの光電性ポイントが同じ画像の線を見る僅かに前に見る。平行移動速度をＶ、そして直線Ｄ１とＤ２の間の距離をＬとすると、そこで偶数列の並びは同じ画像の線を時間Ｌ／Ｖ後に見る。画像の再構築の間に画像を二次元で得るため、奇数列のチップにより時間ｔに与えられた信号を、偶数列のチップにより時間ｔ＋Ｌ／Ｖに与えられた信号と組み合わせるように処理される。

お互いに重なっている光電性ポイントは、光電性ポイントのアレイの線において不感地帯を持つことを回避できるようにする。画像の線の大部分の点は単一のアレイにより見られるが、それらの点は重なり領域では一度は時間ｔに、また一度は時間ｔ＋Ｌ／Ｖの二回にわたり見られる。単純な画像処理はこれらの点に対して単一の値を与えることができ、それらの値は一つのチップ又はその他のチップで読まれたものか、あるいはアレイの点の位置に応じて読まれた二つの値の任意の加重平均であってもよい。

延長部の長さは、該延長部に数十の光電性ポイントを置くために必要な長さに相当してもよい。数ｃｍの長さのアレイと１０μｍピッチの光電性ポイントでは、例えば１ｍｍの延長部が設けられてもよい。空間的広がりのある画像センサーの一つの例においては、パッケージの長さは５ｃｍ、パッケージの幅は１〜２ｃｍ、そしてチップの幅は２〜３ｍｍであってもよい。

図６は奇数列のパッケージＢ３と接合している偶数列のパッケージＢ２の平面図をより詳細に示す。

パッケージ上面の主要部分の全体形状は二つの長辺２０と２２及び二つの短辺２４と２６を有する細長い長方形で、短辺は長方形の細長い方向に平行に延びるパッケージの右と左に、それぞれ二つの延長部３０と３２を備える。

直線アレイの形のチップＰ２は、該チップの端子２８をパッケージの端子３４に結んでいる接続電線によりパッケージＢ２に電気的に接続される。電気的接続端子３４が位置するのは長辺２０と２２、及び短辺２４と２６により画定される、パッケージの長方形の主要面上のみである。延長部３０及び３２には電線の接続端子はなく、それらは見られるように、殆ど全体的にチップで覆われている。どうしても必要な場合には、延長部の領域内でチップに端子２８を置き、これらの電線が主要領域内のパッケージの端子３４に導くことが考慮され得る。

パッケージＢ２とＢ３は、パッケージＢ２の場合は右の延長部３２、及びパッケージＢ３の場合は左の延長部３０’によるそれらの各々の延長部を通じて接合している。パッケージＢ３の延長部３０’の左端は、パッケージＢ２の右の短辺２６を支える（又はこの位置で完全に機械的接触がないことが好ましい場合には、殆ど支える寸前である）。同様に、パッケージＢ２の延長部３２はパッケージＢ３の左の短辺に対して支える(又は支える寸前である）。更に、偶数列と奇数列の間の距離を決めるために、延長部３２と３０’は平行移動方向に直角な、そしてそれらの面がパッケージの設置される時には相互に互い違いになっている、それらの横方向エッジ（アレイの延びる方向に平行なエッジ）を通じ、お互いに対してＯｘ方向に支えている（または殆ど支える寸前である）。

二列のチップの光電性ポイントのアレイ長手方向軸間の距離Ｌは延長部の幅に等しく、全てのチップ＋パッケージの組立品が同一になるようにチップは延長部の中心に置かれている。延長部の幅はチップの幅に等しく、そこには数十ミクロン（好ましくは約５０μｍ〜２００μｍ、例えば５０又は１００μｍ）の位置決め許容誤差分の余裕がチップの全周に加えられてもよい。二つの隣接したチップで捉えられた画像の重なりを確実にするために、延長部に十分な数の光電性ポイントがある限り、延長部の端の余裕はより大きくてもよい。

図６は、その中にそれぞれチップＰ２とＰ３に属している光電性ポイント４０と４０’が互いに重なる領域、すなわちそれらが（たとえ異なった時期でも）光電性ポイントの線に直角なＯｘ方向に平行移動している、画像の線の同じ点を見ることが可能な領域Ｚを表わす。

上述のように、細長いアレイの形の各チップは一つ又は幾つかの線の光電性ポイント４０を含んでもよい。特に、ＴＤＩタイプのアレイには複数の線がある。

図７は衝撃及び振動に対する組み立てのより大きな敏感さのため、ならびにセンサーの劣っている温度及び電気的性能のために、図６の実施形態よりも有益さの少ない代替の実施形態を表わす。この変形ではパッケージの横方向の延長部はなく、該パッケージは、チップ自体が接合のために使われる延長部を構成するように該チップがパッケージの右及び左の横方向に突き出てはいるものの、二つの長辺２０と２２及び二つの短辺２４と２６を有する、まさしく長方形である。

互い違いのパッケージはそれらの突き出ている横方向のエッジを通じてチップを接触させることにより接合される。チップの端は隣接するパッケージの短辺と接触し（又は接触寸前）、またチップの突き出ている横方向のエッジは隣接するチップの突き出ている横方向のエッジと接触する（又は接触寸前）。偶数列のチップ・ラインの軸と奇数列のラインの軸間距離は、この場合チップの幅に等しい。画像の重なりは、画像の線の同じ点を見る隣接したチップの突き出ている部分を通じて得られる。

本発明は更に特定的に、或る線により観察された信号が先行する線により観察された信号に、アレイの平行移動と同時に加えられる、ＴＤＩ（遅延積算）モードで動作する多重線アレイ（画素の幾つかの線）に適用できる。それはまた特に幾つかの線の画素が備えられ、それぞれの線が与えられた色又はスペクトル・バンドに相当するマルチスペクトル・アレイにも適用できる。本発明はより一般的に高解像度の画像化、特に空間的広がりのある画像化に適用可能である。

既に記述されている、大寸法のセンサーを構成するための直線アレイを組み立てる様々な可能性を表わす。既に記述されている、大寸法のセンサーを構成するための直線アレイを組み立てる様々な可能性を表わす。既に記述されている、大寸法のセンサーを構成するための直線アレイを組み立てる様々な可能性を表わす。既に記述されている、大寸法のセンサーを構成するための直線アレイを組み立てる様々な可能性を表わす。二つの延長部を備えたパッケージ及び、これらの延長部をカバーするチップを有する、本発明によるアレイの接合の第一の可能性を表わす。本発明によるパッケージをより詳細に表わす。延長部がなく、突き出ているチップを有する長方形のパッケージを伴う代替の実施形態を表わす。

Claims

センサーに対する画像の相対的な平行移動により動作する大寸法の画像センサーであって、
複数の個別のモノリシック・チップを含み、
前記複数の個別のモノリシック・チップが平行移動の方向（Ｏｘ）に対して垂直な二つの平行な列に配置され、
前記モノリシック・チップのそれぞれが前記平行移動の方向（Ｏｘ）に対して垂直な直線画像を検出可能であり、
前記二つの平行な列の第一の列の前記モノリシック・チップが前記二つの平行な列の第二の列の前記モノリシック・チップに対して相対的に前記平行移動の方向（Ｏｘ）へ偏倚して整列し、
前記第二の列の前記モノリシック・チップが前記第一の列の前記モノリシック・チップに対して互い違いに配置され、
前記第一の列及び第二の列のそれぞれの前記モノリシック・チップがそれぞれのパッケージの上面に取り付けられ、
前記モノリシック・チップの接続端子と該モノリシック・チップが取り付けられたパッケージの上面の接続端子との間が接続配線で接続されている画像センサーにおいて、
前記パッケージの上面は、該パッケージに取り付けられた前記モノリシック・チップの長さより短く、該モノリシック・チップの幅よりも広い長方形の形状を有し、
前記パッケージの全ての接続端子が該パッケージの上面に取り付けられた前記モノリシック・チップに沿って該上面の長方形の形状内にあり、
全ての前記モノリシック・チップがそれぞれのパッケージの上面の長方形の形状から突き出ている二つの突端部を有し、
前記第一の列の前記モノリシック・チップの前記突端部の該列に平行な側が前記第二の列の前記モノリシック・チップの前記突端部の該列に平行な側と隣接し、
該隣接する前記突端部を有するそれぞれの前記モノリシック・チップが該突端部にそれぞれの光電性ポイントを有し、
全ての前記モノリシック・チップが同一形状で、全ての前記パッケージが同一形状であり、
前記パッケージが他の前記パッケージに対して反転することなく配置されている
ことを特徴とする画像センサー。
センサーに対する画像の相対的な平行移動により動作する大寸法の画像センサーであって、
複数の個別のモノリシック・チップを含み、
前記複数の個別のモノリシック・チップが平行移動の方向（Ｏｘ）に対して垂直な二つの平行な列に配置され、
前記モノリシック・チップのそれぞれが前記平行移動の方向（Ｏｘ）に対して垂直な直線画像を検出可能であり、
前記二つの平行な列の第一の列の前記モノリシック・チップが前記二つの平行な列の第二の列の前記モノリシック・チップに対して相対的に前記平行移動の方向（Ｏｘ）へ偏倚して整列し、
前記第二の列の前記モノリシック・チップが前記第一の列の前記モノリシック・チップに対して互い違いに配置され、
前記第一の列及び第二の列のそれぞれの前記モノリシック・チップがそれぞれのパッケージの上面に取り付けられ、
前記モノリシック・チップの接続端子と該モノリシック・チップが取り付けられたパッケージの上面の接続端子との間が接続配線で接続されている画像センサーにおいて、
前記パッケージの上面は、該パッケージに取り付けられた前記モノリシック・チップの長さより短く、該モノリシック・チップの幅よりも広い長方形の形状を有し、該長方形の長手方向の各端部に突起部を有し、
前記モノリシック・チップは、該モノリシック・チップのパッケージの両前記突起部に延伸し、該延伸した領域に光電性ポイントを有し、
前記パッケージの全ての接続端子が該パッケージの前記突起部を除いた長方形の形状内にあり、
前記第一の列の前記モノリシック・チップのパッケージの前記突起部の該列に平行な側が前記第二の列の前記モノリシック・チップのパッケージの前記突起部の該列に平行な側と隣接し、
全ての前記モノリシック・チップが同一形状で、全ての前記パッケージが同一形状であり、
前記パッケージが他の前記パッケージに対して反転することなく配置されている
ことを特徴とする画像センサー。
前記パッケージの突起部は、該パッケージの上面に取り付けられた前記モノリシック・チップの該突起部上に延伸した領域の幅及び長さのそれぞれよりも僅かに大きい大きさである
ことを特徴とする請求項２記載の画像センサー。
前記パッケージの突起部の幅は、該パッケージの上面に取り付けられた前記モノリシック・チップの幅よりも５０μｍ〜２００μｍ大きい
ことを特徴とする請求項３記載の画像センサー。
前記パッケージの突起部は、隣接する他の前記パッケージと前記列に平行な方向で接している
ことを特徴とする請求項２記載の画像センサー。