JP2008181951A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】固体撮像素子の増幅部において発生する熱の放熱性に優れた固体撮像装置を提供する。
【解決手段】本発明の固体撮像装置１０は、長尺状の基板（モールドケース１８）と、モールドケース１８表面に露出するとともにモールドケース１８の長手方向に延在する金属層１６と、金属層１６上に搭載された長尺状の固体撮像素子２０と、を備え、固体撮像素子２０の増幅部の直下領域における金属層１６の層厚は、その他の領域における金属層１６の層厚よりも厚いことを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、複数のフォトトランジスタが直線状に形成された固体撮像素子を有する固体撮像装置に関する。

従来の固体撮像装置としては、例えば特許文献１に記載されたものがある。図７に、同文献に記載された固体撮像装置の幅方向断面図を示す。

固体撮像装置１１０は、アイランドと呼ばれる金属層１１２を含むモールドケース１１８内の略中央部に、長尺状の固体撮像素子１２０を備える。固体撮像素子１２０は、金属層１１２上に搭載されている。固体撮像素子１２０の表面には、図示しないボンディングパッドを備える。モールドケース１１８内には、インナーリード１３４の表面が露出している。ボンディングパッドとインナーリード１３４とは、ボンディングワイヤ１４０を介して電気的に接続される。また、インナーリード１３４は、モールドケース１１８を貫通して、モールドケース１１８の外部においてアウターリード１３０と接続している。モールドケース１１８の上部開口は、透明板１２２により封止されている。

このような構造は特許文献２〜５にも記載されている。

また、特許文献６には、図８に示すように、固体撮像素子の増幅部の直下領域において、金属層１１２の面積が大きいリードフレームを用いた固体撮像装置が記載されている。これによれば、固体撮像素子の増幅部からの熱を迅速に放熱することができると記載されている。
特開平６−１６３９５０号公報 特開平７−８６５４２号公報 特開平７−１６１９５４号公報 特開平１１−３３０２８５号公報 特開２００１−６８５７８号公報 特開２０００−２２８４７５号公報

しかしながら、上記文献記載の従来技術は、固体撮像素子の増幅部において生ずる熱を放熱させる点に解決すべき課題を有していた。

近年、固体撮像装置の小型化が求められてきており、固体撮像素子の高画素化及び小型化が進められている。それに伴い、固体撮像素子の増幅部からの発熱量が大きくなり、固体撮像素子の温度が高くなると共に画素間の温度分布が不均一となっている。これにより、固体撮像装置により読み取られる画質に影響を与え、固体撮像装置の信頼性の低下が顕著となってきた。そのため、固体撮像素子の増幅部からの熱を効率よく放熱することで、固体撮像素子を低温化し、画素間の温度分布を均一なものとし、読み取り機能の安定化を図る必要があった。

つまり、本発明は、固体撮像装置の小型化に伴い生じてきた、固体撮像素子の増幅部からの熱を効率よく放熱するという新規な課題を解決するものである。

本発明によれば、長尺状の基板と、前記基板表面に露出するとともに該基板の長手方向に延在する金属層と、前記金属層上に搭載された長尺状の固体撮像素子と、を備え、前記固体撮像素子の増幅部の直下領域における前記金属層の層厚は、その他の領域における前記金属層の層厚よりも厚いことを特徴とする固体撮像装置が提供される。

この発明によれば、固体撮像素子の増幅部の直下領域において、金属層の層厚を厚く形成しているので、増幅部において発生する熱を効率よく放熱することができる。これにより、画素間の温度分布を均一なものとし、固体撮像装置の読み取り機能の安定化を図ることができる。

本発明によれば、固体撮像素子の増幅部において発生する熱の放熱性に優れているため、読み取り機能に優れた固体撮像装置を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。

（第１実施形態）
図１に、第１実施形態の固体撮像装置１０の概略上面図を示し、図２に、図１に示した固体撮像装置１０のａ−ａ線断面図を示し、図３に図２に示した固体撮像装置１０断面の部分拡大図を示す。

固体撮像装置１０は、長尺状の基板（モールドケース１８）と、モールドケース１８表面に露出するとともにモールドケース１８の長手方向に延在する金属層１６と、金属層１６上に搭載された長尺状の固体撮像素子２０を備える。固体撮像装置１０は、例えば長さが５５ｍｍ、幅が１０ｍｍ、厚さが８ｍｍ程度の細長い形状である。

モールドケース１８は、上部が開口した函体形状を有しており、上部開口は、ガラス板等の透明板２２により閉止され、中空パッケージ形状となっている。モールドケース１８の内部の上面略中央部には、長尺状の金属層１６表面が露出しており、金属層１６表面に固体撮像素子２０が搭載されている。

金属層１６は、図２に示すように第１金属層１２および第２金属層１４から構成されており、モールドケース１８内に第１金属層１２が露出することになる。図２および３に示すように、第２金属層１４は、固体撮像素子２０の増幅部の直下領域において第１金属層１２の裏面に固着されており、直下領域における金属層１６の層厚は、その他の領域における金属層１６の層厚よりも厚くなっている。

第１金属層１２は、銅を主成分とし、鉄、リン、錫等を含有する合金等を含み、その層厚は０．２５ｍｍ程度である。

第２金属層１４は、銅、アルミニウムおよびこれらの合金からなる群より選択される１種以上の金属を含有する。本実施形態においては、銅として無酸素銅を用いることができる。無酸素銅は熱伝導度が高く、好ましく用いることができる。第２金属層１４の層厚ａは、１．５ｍｍ程度である。

固体撮像素子２０としては、一端部に入力電極、他端部に増幅部・出力電極、両端部の間に数千個の画素が直線状に配列された一次元ＣＣＤ素子が用いられる。固体撮像素子２０の発熱は増幅部に集中する。本実施形態において用いられる固体撮像素子２０としては、消費電力が０．４Ｗ〜２Ｗである固体撮像素子を用いることができる。固体撮像素子２０としては、例えば長さが数１０ｍｍ、幅が０．３〜１．２ｍｍ、厚さが０．３〜０．７ｍｍ程度の長尺形状の素子を用いることができる。

固体撮像素子２０の長手方向両端部の表面には、複数のボンディングパッド（不図示）を各々備え、モールドケース１８内に露出している複数のインナーリード（不図示）とボンディングワイヤを介して電気的に接続されている。

また、インナーリードは、モールドケース１８を貫通して、モールドケース１８の外部においてアウターリード３０と接続している。インナーリードおよびアウターリード３０によりリード部が構成される。

本実施形態の固体撮像装置１０は以下のようにして製造することができる。
まず、スタンピング工法で、銅合金等の金属条を所定の形状を有するリードフレームに加工する。リードフレームは、アイランドと呼ばれる第１金属層１２、インナーリード３４、アウターリード３０、フレームから構成される。ついで、図４に示すように、固体撮像素子２０の増幅部の直下領域となるように金属板を固着して第２金属層１４とする。金属板は、無酸素銅等の金属条をスタンピング工法で形状加工して得ることができる。

無酸素銅等からなる金属板を、第１金属層１２の裏面に貼り付けるには、接着剤を用いてもよく、また被接着面に錫めっき施工された金属板と、金めっきされた第１金属層１２の裏面を加熱圧着して張り付けてもよい。

そして、第２金属層１４が形成されたリードフレームを所定の金型内に収容して、熱硬化性絶縁性樹脂等でモールド成型することによりモールドケース１８を形成する。モールドケース１８は、上部が開口した函体形状であり、内表面には、第１金属層１２表面が露出し、さらに第１金属層１２の端部近傍にインナーリード３４の表面が露出している。

次いで、モールドケース１８内表面に露出している第１金属層１２表面の略中央部に、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、ポリイミド樹脂等の熱硬化性樹脂（ダイボンド材）を用いて固体撮像素子２０を固着する。

そして、モールドケース１８内に露出しているインナーリード３４と、固体撮像素子２０表面に形成されたボンディングパッドとを、各々ボンディングワイヤで接続する。

上述のように、インナーリード３４とボンディングパッドとをボンディングワイヤで接続した後、上部が開口したモールドケース１８の上端部に透明板２２を貼付し、モールドケース１８の上部開口を閉止する。さらに、リードフレームの不要な部分を除去し、アウターリード３０部分を曲げ加工することによって、本実施形態の固体撮像装置１０が製造される。

このようにして製造される本実施形態の固体撮像装置１０は、ラインセンサとしてコピー機やスキャナー等の画像読取機能を有する電子機器に使用することができる。

以下に、本実施形態の固体撮像装置１０の効果を説明する。
本実施形態の固体撮像装置１０によれば、固体撮像素子２０の増幅部の直下領域において、金属層の層厚を厚く形成しているので、増幅部において発生する熱を効率よく放熱することができる。そのため、固体撮像素子２０の温度上昇を押え、かつ画素間の温度分布を均一なものとし、読み取り機能の安定化を図ることができる。

また、本構成であれば、固体撮像素子全長に亘る直下領域において金属層を厚くした場合と比べて、固体撮像装置の反りの抑制、製造コストの低減、製品重量の軽減、さらに製造が容易である等のメリットを得ることができる。仮に、固体撮像素子全長に亘る直下領域において金属層を厚くした場合、金属層とモールド樹脂との間の熱膨張差が顕著なものとなり、製造途中および動作中の固体撮像装置に反りが発生することがある。しかしながら、局所的に金属層を厚くすることにより、熱膨張差の影響を最小限に抑えることができ、固体撮像装置の反りを抑制することができ、製品の歩留まりが向上するとともに製品の解像度を高めることができる。

また、金属層１６を第１金属層１２と第２金属層１４とから構成し、固体撮像素子２０の増幅部の直下領域において第１金属層１２と第２金属層１４との積層構造とし、その他の領域において第１金属層１２からなる単層構造とすることができる。

このような構成であれば、リードフレーム材料には適さないような低強度、低弾性率である一方、熱伝導性の高い金属であっても第２金属層１４に用いることが可能となり、放熱性により優れた固体撮像装置を提供することができる。

また、第１金属層１２裏面に第２金属層１４を固着することにより製造することができるので、金属層を一体成形する場合に比べて容易に製造することができる。さらに、第２金属層１４の金属組成を第１金属層１２と異なるものとすることができるので、設計の自由度が向上する。

また、固体撮像装置１０の熱抵抗が３５℃／Ｗ以下であって、第２金属層１４の層厚が１ｍｍ以上とすることができる。

これにより、上記効果が得られるとともに、第２金属層１４を設けた場合においても、固体撮像素子の発熱量に起因する固体撮像装置１０の温度上昇を許容可能な範囲とし、固体撮像装置の読み取り機能の低下をより効果的に抑制することができる。

例えば、固体撮像装置１０を用いる電子機器内の温度は６５℃程度にまで昇温されることから、固体撮像装置１０の使用時の上限温度が１００℃以下となるように、消費電力１Ｗの固体撮像装置１０においては固体撮像装置１０の熱抵抗を３５℃／Ｗ以下とする必要がある。固体撮像装置１０の熱抵抗と第２金属層１４の層厚との関係について、以下の条件において実験を行った。その結果を図５の表に示す。

・固体撮像装置１０ 長さ：７０ｍｍ、幅：９ｍｍ
・第１金属層１２ 材質：銅合金（ＫＦＣ：株式会社神戸製鋼所製）、厚み：０．２５ｍｍ
・第２金属層１４ 材質：無酸素銅、熱伝導度：３９１Ｗ／ｍｋ
・固体撮像素子２０ 長さ：４９ｍｍ、幅：０．８ｍｍ、消費電力：１Ｗ
・マウント材（第１金属層１２と固体撮像素子２０との接着） 熱伝導度が４Ｗ／ｍｋ、２Ｗ／ｍｋ、１．２Ｗ／ｍｋのものを用いた。

その結果、第２金属層１４の層厚を１ｍｍ以上とすることにより、マウント材の熱伝導度に関わらず、固体撮像装置１０の熱抵抗を３５℃／Ｗ以下とすることができる。これにより、固体撮像素子２０の発熱による温度上昇を抑制し、読み取り機能の低下をより効果的に抑制することができることが確認された。なお、第２金属層１４の層厚の上限値は、設計上許容される範囲とすればよく、例えば２ｍｍ以下とすることができる。
なお、固体撮像装置１０を用いる電子機器内の温度の上昇にともなって、固体撮像装置１０の使用時の上限温度をさらに高温にする場合等においても、上記と同様の結果を得ることができる。

（第２実施形態）
第２実施形態の固体撮像装置１０を第１実施形態の固体撮像装置１０との相違点のみについて図面を参照しながら説明し、その他の部分については適宜説明を省略する。

第２実施形態の固体撮像装置１０は、固体撮像素子２０増幅部の直下領域以外のその他の領域において、第１金属層１２表面に２個の突出部２４を備える。固体撮像素子２０は、増幅部の直下領域において第１金属層１４上に搭載され、その他の領域において突出部２４上に搭載される。これにより、固体撮像素子２０は略水平に保たれ、固体撮像装置１０の読み取り機能が安定する。

突出部２４はモールド樹脂から形成することができる。突出部２４の第１金属層１２表面からの高さは、用いるモールド樹脂の成形収縮率を考慮して決定される。

本実施形態の固体撮像装置１０は、突出部２４をモールド成形する際に形成する以外は第１実施形態と同様に形成することができる。突出部２４を形成するには、突出部２４となる型が設けられた金型を用いればよい。

以下に、第２実施形態の固体撮像装置１０の効果を説明する。
第１実施形態のように、固体撮像素子２０増幅部の直下領域において第２金属層１４を設けた場合、モールド成形時に第２金属層１４を設けた箇所と、設けなかった箇所において、樹脂の熱収縮量や反応収縮量が異なる。即ち、第２金属層１４を設けた箇所（樹脂厚が薄い）は収縮が小さく、第２金属層１４を設けなかった箇所（樹脂厚が厚い）は収縮が大きい。このため、第１金属層１２表面の高さが部分的に異なる場合があるが、この高さの違いは微差であるため、通常問題とはならない。

しかしながら、固体撮像装置１０の読み取り機能に対し、より高い精度が要求される場合においては、この第１金属層１２表面の高さの差を改善することが好ましい。

本実施形態の固体撮像装置１０は、第１金属層１２表面に樹脂の熱収縮量や反応収縮量の差を補う突出部２４を備えている。そのため、第１金属層１２表面に固体撮像素子２０を搭載しても、固体撮像素子２０は略水平に保たれ、第１金属層１２表面の高さの違いに起因する反りやうねりは発生しない。そのため、固体撮像装置１０の読み取り機能がより安定し、高精度で画像を読み取ることができる。

以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。

本実施形態においては、固体撮像素子２０の増幅部を片側端部にのみ備える例によって説明したが、増幅部を両端部に有している場合には、両端部の増幅部の直下領域における金属層１６の層厚を、その他の領域における金属層１６の層厚よりも厚くすることができる。

本実施形態においては、金属層１６を第１金属層１２と第２金属層１４とからなる積層構造により説明したが、金属層１６は、これらが一体に形成された１部材であってもよい。

第２金属層１４は、金属組成の異なる複数の層から構成されていてもよい。
第２実施形態の固体撮像装置１０は、第１金属層１２表面に２個の突出部を有しているが、固体撮像素子２０を略水平に保つことができれば、少なくとも１個以上有していればよい。

また、本実施形態においては、モールドケース１８の底面と同一平面に金属層１６の底面が存在するように構成することができる。これにより、固体撮像装置１０を実装する際に、金属層１６の底面を実装基板に接触させることができるため、放熱性をより向上させることができる。

モールドケース１８の金属層１６上面からの高さを、従来の固体撮像装置より高くすることができる。例えば、２ｍｍ程度の高さとすることができる。これにより、透明板２２表面にゴミが付着した場合においても、画素落ち等の特性不良を抑制することができる。

また、モールドケース１８の長手方向の略中央部において、モールドケース１８の内壁と固体撮像素子２０との間に、固体撮像素子２０の表面（センサー表面）よりも上面が高い樹脂層を設けることができる。これにより、外乱光による読み取りエラーを抑制することができる。

図１は、固体撮像装置の概略上面図である。 図２は、図１に示した固体撮像装置のａ−ａ線断面図である。 図３は、第１実施形態における図２に示した固体撮像装置の断面の部分拡大図である。 図４は、本実施形態の固体撮像装置を製造する際に用いるリードフレームの概略上面図である。 図５は、固体撮像装置の熱抵抗と第２金属層の層厚との関係を示す実験結果である。 図６は、第２実施形態における図２に示した固体撮像装置１０断面の部分拡大図である。 図７は、従来の固体撮像装置の幅方向断面図である。 図８は、特許文献に記載の固体撮像装置を製造する際に用いるリードフレームの概略上面図である。

符号の説明

１０、１１０ 固体撮像装置
１２ 第１金属層
１４ 第２金属層
１６、１１２ 金属層
１８、１１８ モールドケース
２０、１２０ 固体撮像素子
２２、１２２ 透明板
２４ 突出部
３０、１３０ アウターリード
３４、１３４ インナーリード
１４０ ボンディングワイヤ

Claims (5)

1. 長尺状の基板と、
   前記基板表面に露出するとともに該基板の長手方向に延在する金属層と、
   前記金属層上に搭載された長尺状の固体撮像素子と、を備え、
   前記固体撮像素子の増幅部の直下領域における前記金属層の層厚は、その他の領域における前記金属層の層厚よりも厚いことを特徴とする固体撮像装置。
2. 請求項１に記載の固体撮像装置において、
   前記金属層は第１金属層と第２金属層とからなり、
   前記固体撮像素子の増幅部の直下領域における前記金属層は、前記第１金属層と該第１金属層の下面に積層された前記第２金属層とからなり、その他の領域における前記金属層は前記第１金属層からなることを特徴とする固体撮像装置。
3. 請求項２に記載の固体撮像装置において、
   前記第２金属層は、銅、アルミニウムおよびこれらの合金からなる群より選択される１種以上の金属を含むことを特徴とする固体撮像装置。
4. 請求項２または３に記載の固体撮像装置において、
   前記固体撮像装置の熱抵抗が３５℃／Ｗ以下であって、
   前記第２金属層の層厚が１ｍｍ以上であることを特徴とする固体撮像装置。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の固体撮像装置において、
   前記直下領域以外のその他の領域において、前記金属層表面に少なくとも１個の突出部を備え、
   前記固体撮像素子は、前記増幅部の直下領域において前記金属層上に搭載され、その他の領域において前記突出部上に搭載されることにより、略水平に保たれていることを特徴とする固体撮像装置。

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