JP2014175557A

JP2014175557A - 半導体撮像素子収納用パッケージ

Info

Publication number: JP2014175557A
Application number: JP2013048565A
Authority: JP
Inventors: Eiji Takahashi; 英二高橋
Original assignee: Nippon Steel and Sumikin Electronics Devices Inc
Current assignee: Nippon Steel and Sumikin Electronics Devices Inc
Priority date: 2013-03-12
Filing date: 2013-03-12
Publication date: 2014-09-22

Abstract

【課題】水晶からなる蓋体を用いて気密信頼性を確保でき、放熱性に優れる安価な構造からなる半導体撮像素子収納用パッケージを提供する。
【解決手段】半導体撮像素子収納用パッケージ１０は、アルミナセラミックからなる平板状の基体１１と、この外周部上方に設けられて半導体撮像素子１２を収納するためのキャビティ部１３を形成する基体１１と同等寸法の外形でフォルステライトセラミック、又はフィラー入りプラスチックからなる窓枠状の枠体１４と、基体１１と枠体１４との間に熱硬化型樹脂接合材１６を介して固着されるＦｅ−Ｎｉ系合金、又はＣｕからなる複数本の外部接続リード端子１７と、キャビティ部１３に半導体撮像素子１２が収納された後、枠体１４の上面に光硬化型樹脂接着材１８を介して接合される水晶からなる平板状の蓋体１５と、を具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、それぞれの部位で有用な特性を発揮できる様々な絶縁性部材と、外部と電気的に導通状態とするために導電性部材で構成される半導体撮像素子収納用パッケージに関し、より詳細には、ＣＣＤ（ＣｈａｒｇｅＣｏｕｐｌｅｄＤｅｖｉｃｅ）型や、ＭＯＳ（ＭｅｔａｌＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）型等の半導体撮像素子をキャビティ部に収納し、蓋体で中空状態に気密に封止した後、外部接続リード端子を介して外部と電気的に導通状態とするための半導体撮像素子収納用パッケージに関する。

従来から、半導体撮像素子は、撮像光を直接関知できる素子であって、感知した光信号を電気信号に変換させることができるようになっている。このような半導体撮像素子を収納するための半導体撮像素子収納用パッケージは、半導体撮像素子からの発熱を速やかに放熱させるために、熱伝導率が比較的高いアルミナセラミックからなる平板形状の基体を用いている。また、半導体撮像素子収納用パッケージは、半導体撮像素子を収納して蓋体を接合させて高い気密信頼性を確保するために、蓋体との線熱膨張係数を近似させたアルミナセラミックからなる窓枠形状の枠体を用いている。そして、半導体撮像素子収納用パッケージは、基体と、枠体との間にＦｅ−Ｎｉ系合金からなる外部接続リード端子を低融点ガラスで挟み込むように接合して形成している。更に、半導体撮像素子収納用パッケージには、外部に露出する外部接続リード端子の表面にＮｉめっき被膜と、この上面にＡｕめっき被膜を施している。そして、この半導体撮像素子収納用パッケージには、基体と枠体で形成されるキャビティ部にＣＣＤ型や、ＭＯＳ型等の半導体撮像素子を搭載し、この半導体撮像素子に設けられているボンディングパッドと、キャビティ部内に突出する外部接続リード端子との間をボンディングワイヤで接続している。更に、この半導体撮像素子収納用パッケージには、透光性のあるガラス板や、サファイア板からなる蓋体を枠体の上面に接合させることで半導体撮像素子をキャビティ部内に気密封止している。

半導体撮像素子が実装された半導体撮像素子収納用パッケージは、外部の回路基板との接続を、パッケージの外部に突出する外部接続リード端子を回路基板に半田で接合させて行い、更に、この回路基板を装置に組み込んでいる。そして、装置に組み込まれた半導体撮像素子収納用パッケージは、透光性のある蓋体を介して外部から半導体撮像素子に取り込まれた撮像光を電気信号に変換させ、回路基板を介して装置へ伝送している。このような半導体撮像素子収納用パッケージにおいては、撮像光を安定して取り込めると共に、電気信号を安定して高速に伝送できるようにすることが求められ、且つ安価に製造できる構造とする必要があった。

従来の半導体撮像素子収納用パッケージは、蓋体に透光性のあるガラス板や、サファイア板を使用する場合には、ガラス板の線熱膨張係数（７．０×１０^−６／℃程度）や、サファイア板の線熱膨張係数（５．３×１０^−６／℃程度）が、アルミナセラミックからなる窓枠形状の枠体の線熱膨張係数（６．６×１０^−６／℃程度）と近似することから、光硬化型樹脂接着材で接合させた後の温度サイクル等の試験における気密信頼性の問題が発生することはない。しかしながら、ガラス板は、光の反射、透過、吸収の発生を緩和させて、半導体撮像素子への光の到達効率を向上させるために、高度な技術を要する膜形成が必要となり、半導体撮像素子収納用パッケージが高価なものとなっている。また、サファイア板は、光の到達効率を向上のための処置を必要としないものの、これ自体が非常に高価であり、半導体撮像素子収納用パッケージが高価なものとなっている。そこで、半導体撮像素子収納用パッケージには、比較的安価で、特段の光の到達効率を向上のための処置を必要としない水晶からなる平板状の蓋体を用いることが期待されている。

従来の半導体撮像素子収納用パッケージには、上面の中央部に撮像素子の搭載部が形成された四角平板状の絶縁体からなる基板と、この基板の上面の外周部に取着された金属からなる複数のリード端子と、この複数のリード端子を介して基板の上面の外周部の全周にわたって接合材を介して接合された枠体と、枠体の上面に枠体の内側を塞ぐように接着された水晶板とを具備した撮像素子収納用パッケージにおいて、枠体および基板を線線熱膨張係数が８×１０^−６／℃乃至１０×１０^−６／℃である絶縁体で構成し、枠体を基板の側面よりも外側に張り出させ、接合材を基板の側面から張り出した枠体の下面にかけて形成し、リード端子の下面と下面側に位置する接合材の側面との交線をリード端子の上面と上面側に位置する接合材の側面との交線よりも基板側に位置させた半導体撮像素子収納用パッケージが開示されている。そして、上記の半導体撮像素子収納用パッケージには、枠体および基板をステアタイトセラミックスで形成したことが開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特許第４６７１７４４号公報

しかしながら、前述したような従来の半導体撮像素子収納用パッケージは、次のような問題がある。
（１）従来のアルミナセラミックからなる枠体を用いた半導体撮像素子収納用パッケージは、枠体に水晶からなる蓋体を接合させる場合に、アルミナセラミックの線熱膨張係数が６．６×１０^−６／℃程度で、水晶の線熱膨張係数が１０．０〜１１．０×１０^−６／℃程度であり、両者の線熱膨張係数差が大きく、接合後の温度サイクル試験等の気密信頼性試験で、水晶からなる蓋体がアルミナセラミックからなる枠体から剥がれてしまうという問題を抱えている。
（２）
特許第４６７１７４４号公報で開示されるような半導体撮像素子収納用パッケージは、枠体及び基板の線熱膨張係数と、枠体に接合される蓋体である水晶板の線熱膨張係数が近似して、温度サイクル試験等の気密信頼性試験で、蓋体がセラミック枠体から剥がれてしまうという問題を回避できるものの、半導体撮像素子を収納するためのキャビティ部の大きさに対して半導体撮像素子収納用パッケージの外形の大きさが大きくなりすぎ、これを用いる装置の小型化に制限をもたらすこととなっている。
（３）特許第４６７１７４４号公報で開示されるような半導体撮像素子収納用パッケージは、枠体及び基板にステアタイトセラミックを用いる場合には、ステアタイトセラミックの線熱膨張係数が７．１×１０^−６／℃程度であるのに対して、枠体に接合される蓋体である水晶板の線熱膨張係数が１０．０〜１１．０×１０^−６／℃程度と大きく、接合後の温度サイクル試験等の気密信頼性試験で、蓋体が枠体から剥がれてしまうという問題を抱えることとなっている。また、特許第４６７１７４４号公報で開示されるような半導体撮像素子収納用パッケージは、半導体撮像素子が直接載置されて搭載される基板にステアタイトセラミックを用いる場合には、ステアタイトセラミックの熱伝導率が８Ｗ／ｍ・Ｋ程度と低く、半導体撮像素子からの発熱を速やかに放熱させることが難しくなっている。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであって、水晶からなる蓋体を用いて気密信頼性を確保でき、放熱性に優れる安価な構造からなる半導体撮像素子収納用パッケージを提供することを目的とする。

前記目的に沿う本発明に係る半導体撮像素子収納用パッケージは、アルミナセラミックからなる平板状の基体と、基体の外周部上方に設けられて半導体撮像素子を収納するためのキャビティ部を形成する基体と同等寸法の外形でフォルステライトセラミック、又はフィラー入りプラスチックからなる窓枠状の枠体と、基体と枠体との間に熱硬化型樹脂接合材を介して固着されるＦｅ−Ｎｉ系合金、又はＣｕからなる複数本の外部接続リード端子と、キャビティ部に半導体撮像素子が収納された後、枠体の上面に光硬化型樹脂接着材を介して接合される水晶からなる平板状の蓋体と、を具備する。

上記の半導体撮像素子収納用パッケージは、アルミナセラミックからなる平板状の基体と、基体の外周部上方に設けられて半導体撮像素子を収納するためのキャビティ部を形成する基体と同等寸法の外形でフォルステライトセラミック、又はフィラー入りプラスチックからなる窓枠状の枠体と、基体と枠体との間に熱硬化型樹脂接合材を介して固着されるＦｅ−Ｎｉ系合金、又はＣｕからなる複数本の外部接続リード端子と、キャビティ部に半導体撮像素子が収納された後、枠体の上面に光硬化型樹脂接着材を介して接合される水晶からなる平板状の蓋体と、を具備するので、基体が熱伝導率の高いアルミナセラミックからなり、そこに直接載置されて搭載される半導体撮像素子からの発熱を速やかに放熱させることができる放熱性に優れた安価な半導体撮像素子収納用パッケージを提供できる。また、この半導体撮像素子収納用パッケージの基体と、枠体は、それぞれの外形が同等寸法になっているので、これを用いる装置の小型化に対応することができる半導体撮像素子収納用パッケージを提供できる。更に、この半導体撮像素子収納用パッケージの枠体は、線熱膨張係数が１０．０×１０^−６／℃程度のフォルステライトセラミック、又は線熱膨張係数が１０．０〜１１．０×１０^−６／℃程度のフィラー入りプラスチックからなり、これに光硬化型樹脂接着材で接合される線熱膨張係数が１０．０〜１１．０×１０^−６／℃程度の水晶からなる平板状の蓋体との線熱膨張係数が近似するので、接合後の温度サイクル試験等の気密信頼性試験で、蓋体が枠体から剥がれるのを防止することができると共に、それぞれが安価な部材で構成される安価な半導体撮像素子収納用パッケージを提供できる。また、更には、この半導体撮像素子収納用パッケージの基体と枠体との間には、線熱膨張係数が４．６〜７．０×１０^−６／℃程度のＦｅ−Ｎｉ系合金、又は線熱膨張係数が１６．０〜１７．０×１０^−６／℃程度のＣｕからなる複数本の外部接続リード端子を、線熱膨張係数が７．０〜１６．０×１０^−６／℃程度で１５０℃程度の低温で接合できる熱硬化型樹脂接合材で接合させているので、それぞれの間に線熱膨張係数差があったとしても、熱歪みを発生させることなく強固に接合させる安価な半導体撮像素子収納用パッケージを提供できる。

（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ本発明の一実施の形態に係る半導体撮像素子収納用パッケージの斜視図、Ａ−Ａ’線拡大縦断面図である。

続いて、添付した図面を参照しながら、本発明を具体化した実施するための最良の形態について説明し、本発明の理解に供する。
ここに、図１（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ本発明の一実施の形態に係る半導体撮像素子収納用パッケージの平面図、Ａ−Ａ’線拡大縦断面図である。

図１（Ａ）、（Ｂ）に示すように、本発明の一実施の形態に係る半導体撮像素子収納用パッケージ１０は、アルミナセラミックからなる平板状の基体１１を具備している。この基体１１には、先ず、所定の粒径からなるアルミナセラミック粉末と、バインダー等を混合した水溶液をスプレードライヤーで乾燥して作製した造粒粉末原料が用いられるようになっている。次に、この造粒粉末原料は、上金型、下金型、及びダイス等からなる粉末プレス用金型を用いてプレス成形して、所望の大きさ、形状の成形体にしている。次に、成形体は、内部が大気中からなる焼成炉の約１５５０℃程度の高温で焼成して焼成体にしている。そして、焼成体は、両面を表面研削機等で切削加工して平坦にしてアルミナ（酸化アルミニウム：Ａｌ_２Ｏ_３）からなる基体１１としている。

上記のアルミナからなる基体１１は、線熱膨張係数が６．８〜７．０×１０^−６／℃程度で熱に対しての変形が少ない上に、熱伝導率が１３Ｗ／ｍ・Ｋ程度で比較的大きいので、ここに搭載される半導体撮像素子１２からの発熱に対しての変形が少ない上に、半導体撮像素子１２からの発熱を基体１１の外部側に速やかに伝熱させて放熱させることができるという作用を有している。なお、基体１１は、平板状の形状を限定するものではなく、全てにおいて平行な厚みからなる平板状であってもよく、外周部に階段状の土手部を設けたものであってもよい。

この半導体撮像素子収納用パッケージ１０は、基体１１の外周部上方に設けられて半導体撮像素子１２を収納するためのキャビティ部１３を形成する基体１１と同等寸法の外形でフォルステライトセラミック、又はフィラー入りプラスチックからなる窓枠状の枠体１４を具備している。この半導体撮像素子収納用パッケージ１０は、平板状の基体１１の外形寸法と、この外形寸法と略同じ外形寸法を有する窓枠状の枠体１４で半導体撮像素子１２を収納するためのキャビティ部１３を形成し、半導体撮像素子収納用パッケージ１０自体の大きさを必要以上に大きくしていないので、これを用いる装置の小型化に対応できるようになっている。

上記の枠体１４は、これがフォルステライトセラミックからなる場合には、フォルステライトセラミック粉末と、バインダー等からなる造粒粉末原料を、上記と同様な方法で成形体、焼成体にし、上記と同様に両面を表面研削機等で切削加工して平坦にしてフォルステライトセラミック（２ＭｇＯ／ＳｉＯ_２）からなる枠体１４としている。このフォルステライトセラミックからなる枠体１４は、線熱膨張係数が１０．０×１０^−６／℃程度と、これに接合される水晶からなる蓋体１５の線熱膨張係数（１０．０〜１１．０×１０^−６／℃程度）に極めて近似しているので、接合後の温度サイクル試験等の気密信頼性試験での蓋体１５が枠体１４から剥がれるのを防止することができるという作用を有している。

また、上記の枠体１４は、これがフィラー入りプラスチックからなる場合には、エポキシ樹脂や、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイト）樹脂等に適当量のフィラーを混合させた樹脂板から所望の形状に成形し、フィラー入りプラスチックからなる窓枠状の枠体１４としている。このフィラー入りプラスチックからなる枠体１４は、線熱膨張係数が１０．０〜１１．０×１０^−６／℃程度と、これに接合される水晶からなる蓋体１５の線熱膨張係数（１０．０〜１１．０×１０^−６／℃程度）と略同等であるので、接合後の温度サイクル試験等の気密信頼性試験での蓋体１５が枠体１４から剥がれるのを防止することができるという作用を有している。

この半導体撮像素子収納用パッケージ１０は、基体１１と枠体１４との間に熱硬化型樹脂接合材１６を介して固着されるＦｅ−Ｎｉ系合金（通称、４２アロイと称す）、又はＣｕからなる金属製の複数本の外部接続リード端子１７を具備している。熱硬化型樹脂接合材１６には、例えば、熱硬化性のエポキシ樹脂があり、液状エポキシ樹脂に充填材、硬化材、着色材を混合させて混練し、ペースト状にしたものを用いている。そして、半導体撮像素子収納用パッケージ１０は、ペースト状にしたものをスクリーン印刷法や、ディスペンサ法で基体１１や、枠体１４に塗布して乾燥させた後、基体１１と枠体１４との間に外部接続リード端子１７を挟み込んだ状態で１５０℃程度の低温で、１時間程度焼成炉中を通路させたり、オーブン中に挿入させたり等して加熱して硬化させることで作製している。また、この半導体撮像素子収納用パッケージ１０は、外部接続リード端子１７を枠体１４の内周側からキャビティ部１３の内部と、基体１１及び枠体１４の外周側からパッケージの外部にリード端子部がそれぞれ突出するようにして固着されている。

この半導体撮像素子収納用パッケージ１０は、熱硬化型樹脂接合材１６の線熱膨張係数が７．０〜１６．０×１０^−６／℃程度で、外部接続リード端子１７の線熱膨張係数が４．６〜７．０×１０^−６／℃程度のＦｅ−Ｎｉ系合金や、線熱膨張係数が１６．０〜１７．０×１０^−６／℃程度のＣｕとの間に線熱膨張係数差がある。しかしながら、それぞれの線熱膨張係数は、熱硬化型樹脂接合材１６の線熱膨張係数のバラツキの範囲内にあり、接合後の温度サイクル試験等の気密信頼性試験での外部接続リード端子１７と熱硬化型樹脂接合材１６との間の剥がれを防止することができるという作用を有している。

この半導体撮像素子収納用パッケージ１０は、外部接続リード端子１７にＦｅ−Ｎｉ系合金を用いる場合には、基体１１との間では線熱膨張係数が近似するものの、枠体１４との間では線熱膨張係数が異なることとなっている。また、この半導体撮像素子収納用パッケージ１０は、外部接続リード端子１７にＣｕを用いる場合には、基体１１、及び枠体１４との間で線熱膨張係数が異なることとなっている。しかしながら、この半導体撮像素子収納用パッケージ１０は、基体１１や、枠体１４や、外部接続リード端子１７の線熱膨張係数が異なるそれぞれの部材を固着させる熱硬化型樹脂接合材１６を低い温度で処理できるので、接合信頼性に問題を発生させることなく固着させることができるという作用を有している。

半導体撮像素子収納用パッケージ１０の外部接続リード端子１７にＣｕを用いる場合には、特に、Ｃｕに含まれる含有物、含有量を限定するものではないが、例えば、Ｃｕを９７重量％以上含有し、残部にＦｅ、Ｐ、Ｚｎの全てを含有するＣｕ合金からなっているのが好ましい。なお、このＣｕ合金は、Ｃｕの含有量が９７重量％を下まわる場合には、電気信号の伝送速度が遅くなるので好ましくない。また、このＣｕ合金は、Ｃｕ合金中のＦｅ、Ｐ、Ｚｎの全体含有量が３重量％以下となり、特に、それぞれの含有量を限定するものではないが、Ｆｅを２．１〜２．６重量％、Ｐを０．０１５〜０．１５重量％、Ｚｎを０．０５〜０．２０重量％の範囲内で含有するのが好ましい。上記の範囲の含有量で構成されるＣｕ合金からなる外部接続リード端子１７は、高い強度と伸びを有してリード端子の形状を保ち、且つ加工性に優れると共に、電気信号の伝送速度を高めることができる。また、このＣｕ合金は、耐食性に優れ、特に、応力腐蝕割れの発生を防止することができる外部接続リード端子１７を形成することができる。

Ｆｅ−Ｎｉ系合金、又はＣｕからなる外部接続リード端子１７は、Ｆｅ−Ｎｉ系合金、Ｃｕ、Ｃｕ合金の板状金属板をエッチングや、パンチング等で複数本のリード端子を設けてパターン加工して複数の一方のリード端子部側をキャビティ部１３側方向になるようにして解放し、他方のリード端子部側をそれぞれが接続状態となるようにして外周囲を取り巻くタイバー部（図示せず）を設ける平板状のリードフレーム形状体に形成している。そして、この平板状のリードフレーム形状体からは、平板状のままであったり、基体１１の相対向する一方の幅方向に跨げることができる程度の位置を折り曲げたり等することで、タイバー部を有する外部接続リード端子１７に形成している。

半導体撮像素子収納用パッケージ１０は、上記の外部接続リード端子１７の少なくともリード端子部の外部に露出する表面にＮｉめっき被膜、このＮｉめっき被膜の表面にＡｕめっき被膜を電解めっき方法で形成して設けている。次いで、この半導体撮像素子収納用パッケージ１０は、キャビティ部１３の底面である基体１１の上面に半導体撮像素子１２を搭載し、ボンディングワイヤ（図示せず）を介して半導体撮像素子１２と外部接続リード端子１７の間を電気的に導通状態となるようにしている。そして、半導体撮像素子１２をキャビティ部１３に収納させた半導体撮像素子収納用パッケージ１０は、枠体１４の上面に光硬化型樹脂接着材１８を介して接合することができる水晶からなる平板状の蓋体１５を具備している。光硬化型樹脂接着材１８には、例えば、光硬化性のエポキシ樹脂があり、ペースト状の樹脂をスクリーン印刷法や、ディスペンサ法で枠体１４、及び／又は蓋体１５に塗布した後、枠体１４の上面に蓋体１５を重ね合わせて載置し、蓋体１５の上面から紫外線を照射して硬化させるようにしている。これによって、半導体撮像素子収納用パッケージ１０は、キャビティ部１３に半導体撮像素子１２が中空状態で気密に封止されることとなっている。

本発明の半導体撮像素子収納用パッケージは、ＣＣＤ型等の半導体撮像素子を搭載し、ファクシミリや、ラインスキャナーや、イメージスキャナー等に用いることができる。また、本発明の半導体撮像素子収納用パッケージは、ＭＯＳ型等の半導体撮像素子を搭載し、デジタルカメラや、デジタルビデオカメラ等に用いることができる。

１０：半導体撮像素子収納用パッケージ、１１：基体、１２：半導体撮像素子、１３：キャビティ部、１４：枠体、１５：蓋体、１６：熱硬化型樹脂接合材、１７：外部接続リード端子、１８：光硬化型樹脂接合材

Claims

アルミナセラミックからなる平板状の基体と、該基体の外周部上方に設けられて半導体撮像素子を収納するためのキャビティ部を形成する前記基体と同等寸法の外形でフォルステライトセラミック、又はフィラー入りプラスチックからなる窓枠状の枠体と、前記基体と前記枠体との間に熱硬化型樹脂接合材を介して固着されるＦｅ−Ｎｉ系合金、又はＣｕからなる複数本の外部接続リード端子と、前記キャビティ部に前記半導体撮像素子が収納された後、前記枠体の上面に光硬化型樹脂接着材を介して接合される水晶からなる平板状の蓋体と、を具備することを特徴とする半導体撮像素子収納用パッケージ。