JP7335902B2

JP7335902B2 - 半導体装置

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Publication number: JP7335902B2
Application number: JP2020569399A
Authority: JP
Inventors: 寿樹小山
Original assignee: Sony Semiconductor Solutions Corp
Current assignee: Sony Semiconductor Solutions Corp
Priority date: 2019-01-30
Filing date: 2019-11-25
Publication date: 2023-08-30
Anticipated expiration: 2039-11-25
Also published as: CN113330558A; US12034093B2; US20220093806A1; WO2020158130A1; JPWO2020158130A1

Description

本技術は、半導体装置に関する。詳しくは、固体撮像素子を基板に載置した半導体装置に関する。

従来、半導体チップを基板に載置した半導体装置において、半導体チップからの発熱をいかに排熱するかが問題となっていた。例えば、半導体チップの発熱部分を局的に露出させて、ヒートシンク部材に接触させることにより冷却する半導体パッケージが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。また、例えば、半導体チップの筐体と放熱フィンとを、熱伝導グリースにより接着させた半導体装置が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。

特開２００８－１７７２４１号公報特開２００８－０９１６７７号公報

上述の従来技術では、半導体チップの表面、すなわち基板に対する面とは反対の面において、冷却部材を設けることにより、半導体チップの動作時の発熱を排熱させている。しかしながら、半導体チップが固体撮像素子である場合、画素部に対して外光を入射させる必要があるため、チップ表面を遮光することはできない。また、発熱により固体撮像素子において温度分布にばらつきがあると、撮像される画像の画質に局所的な劣化が生じるおそれがある。

本技術はこのような状況に鑑みて生み出されたものであり、固体撮像素子における撮像特性を損なうことなく、排熱を効率よく行うことを目的とする。

本技術は、上述の問題点を解消するためになされたものであり、その第１の側面は、金属配線を備える基板と、上記基板の表面に載置される固体撮像素子と、所定の熱電導性を有して上記固体撮像素子の一方の面における所定の領域を上記基板に接着する接着部とを具備する半導体装置である。これにより、固体撮像素子において発生した熱を、接着部を介して基板の金属配線に向けて排熱させるという作用をもたらす。

また、この第１の側面において、上記接着部は、上記固体撮像素子の温度分布に応じて低温部よりも高温部の方がより広い面積を有するようにしてもよい。これにより、温度分布に応じた面積により排熱させるという作用をもたらす。

また、この第１の側面において、上記基板は、上記表面において絶縁膜を備え、上記基板における上記絶縁膜は、上記所定の領域において開口して上記金属配線を露出させる露出部を備え、上記接着部は、上記固体撮像素子の上記所定の領域と上記基板の上記金属配線とを接着するようにしてもよい。これにより、露出部において接着部を基板の金属配線に接着させて排熱させるという作用をもたらす。

また、この第１の側面において、上記露出部は、上記固体撮像素子の温度分布に応じて低温部よりも高温部の方がより多く配置されてもよい。これにより、温度分布に応じた数の露出部を介して排熱させるという作用をもたらす。

また、この第１の側面において、上記露出部は、上記固体撮像素子の温度分布に応じて低温部よりも高温部の方がより高い密度で配置されてもよい。これにより、温度分布に応じた密度の露出部を介して排熱させるという作用をもたらす。

また、この第１の側面において、上記露出部は、複数の円形状を備えてもよい。また、楕円または角形状などの他の形状を備えてもよい。

また、この第１の側面において、上記所定の領域は、上記固体撮像素子の動作時最大温度となる領域であってもよい。これにより、固体撮像素子の動作時の最大温度に応じて設定された領域において接着部を介して基板の金属配線に向けて排熱させるという作用をもたらす。

また、この第１の側面において、上記所定の領域は、上記固体撮像素子において所定の回路が占有する領域であってもよい。これにより、所定の回路が占有する領域において接着部を介して基板の金属配線に向けて排熱させるという作用をもたらす。なお、この所定の回路は、例えば、アナログデジタル変換回路や所定の論理回路であってもよい。

また、この第１の側面において、上記接着部は、上記固体撮像素子の温度分布に応じて熱電導性の異なる複数種類の接着剤を備えてもよい。これにより、温度分布に応じて放熱性を調整するという作用をもたらす。

本技術の実施の形態における半導体装置の構造の一例を示す断面図である。本技術の第１の実施の形態における素子２００の温度分布の一例を示す図である。本技術の第１の実施の形態における基板１００の構造例を説明するための上面図である。本技術の第１の実施の形態における素子２００を基板１００に搭載する工程例を示す図である。本技術の第１の実施の形態における基板１００および素子２００を含む半導体装置の製造工程例を示す図である。本技術の第１の実施の形態における放熱の例を示す図である。本技術の第２の実施の形態における積層構造の固体撮像素子の一例を示す図である。本技術の第２の実施の形態における基板１００の構造例を説明するための上面図である。本技術の実施の形態における露出部１１０の第１の変形例を示す図である。本技術の実施の形態における露出部１１０の第２の変形例を示す図である。本技術の実施の形態における露出部１１０の第３の変形例を示す図である。本技術の実施の形態における露出部１１０の第４の変形例を示す図である。本技術の実施の形態における露出部１１０の第５の変形例を示す図である。本技術の実施の形態における露出部１１０の第６の変形例を示す図である。

以下、本技術を実施するための形態（以下、実施の形態と称する）について説明する。説明は以下の順序により行う。
１．第１の実施の形態（同一シリコン基板上に画素と回路を形成した固体撮像素子の例）
２．第２の実施の形態（積層構造の固体撮像素子の例）
３．変形例

＜１．第１の実施の形態＞
［半導体装置の構造］
図１は、本技術の実施の形態における半導体装置の構造の一例を示す断面図である。

この半導体装置では、ベースとなるシリコンの基板１００の表面に素子２００が載置される。素子２００は、半導体チップであり、以下の実施の形態においては固体撮像素子を想定する。すなわち、素子２００は、特許請求の範囲に記載の固体撮像素子の一例である。

基板１００に載置される素子２００の面における所定の領域は、接着部１９０を介して基板１００に選択的に接着される。ここで、所定の領域は、ホットスポット（局所高温部）と呼ばれる素子２００の発熱部２０１の直下の領域である。通常の場合、耐熱保証温度を超えないように設計されるため、ホットスポットにおいても極端な高熱が発生することは想定し難い。ただし、素子２００の一部において耐熱保証温度に近い温度（例えば、６０℃程度）に達することが起こり得る。

基板１００は、半導体装置のベースとなる基板であり、例えばプリント基板が想定される。この基板１００の表面には保護のための絶縁膜としてソルダーレジストが形成される。そして、素子２００が載置される基板１００において、素子２００の発熱部２０１の直下に当たる位置に、予めソルダーレジストを開口しておく。これにより、基板１００の金属配線が露出する。

基板１００の金属配線が露出する部分には、接着部１９０が塗布される。この接着部１９０は、所定の熱伝導性を有する接着剤である。この接着部１９０を介して、基板１００の金属配線が露出する部分に、素子２００の発熱部２０１の直下の領域が接着される。これにより、発熱部２０１の熱は、金属配線に向けて排熱される。

素子２００の入出力端子は上面の周辺部に配置されており、ワイヤ３００を介したワイヤボンディングにより、基板１００に対して電気的に接続される。ワイヤ３００としては、例えば金線が想定される。

基板１００には、素子２００の周囲に枠体４００が設けられる。そして、枠体４００の上部にはガラスなどの透光材５００が設けられる。これらの組立工程により、固体撮像素子としての素子２００の撮像面の画素部に対して外光を入射させる中空封止構造が形成される。

［素子の温度分布］
図２は、本技術の第１の実施の形態における素子２００の温度分布の一例を示す図である。

素子２００は、同図におけるａに示すように、表面の略中央部分に受光面となる画素部２１０が形成され、その画素部２１０の周囲にそれ以外の回路部２２０が形成される。回路部２２０としては、例えば、ＡＤ（Analog-to-Digital）変換回路などの信号処理回路が想定される。すなわち、回路部２２０は、特許請求の範囲に記載のアナログデジタル変換回路の一例である。ただし、これは例示であり、他の論理回路についても対象となり得る。

固体撮像素子としての素子２００の駆動時には、主に回路部２２０が発熱する。ただし、回路の機能によって発熱量が異なり、例えば同図におけるｂに示すように、通常程度の発熱部２２１と、それよりも高い高発熱部２２２とが生じ得る。これらの熱による影響が近傍の画素部２１０に及ぶと、ノイズの増加などの画質劣化を引き起こすおそれがある。

図３は、本技術の第１の実施の形態における基板１００の構造例を説明するための上面図である。

上述の通り、同図におけるａに示すように、素子２００においては画素部２１０の周囲の回路部２２０が主な発熱源となる。そこで、基板１００には、同図におけるｂに示すように、素子２００の発熱部２２１および２２２の直下に当たる位置に、ソルダーレジストの円形状または点状の開口を予め設けておいて、基板１００の金属配線が露出した露出部１１０として機能させる。

このとき、素子２００の発熱が相対的に高い高発熱部２２２の直下には多くの数の開口を、相対的に発熱が低い発熱部２２１の直下には少ない数の開口を、露出部１１０として設けることが望ましい。また、高発熱部２２２の直下には、発熱部２２１の直下よりも高い密度で開口を、露出部１１０として設けることが望ましい。

また、この例では、露出部１１０の開口の形状が複数の円形状からなる例を示したが、これ以外の楕円または角形状を有していてもよい。

［製造工程］
図４は、本技術の第１の実施の形態における素子２００を基板１００に搭載する工程例を示す図である。

同図におけるａに示すように、素子２００の発熱部２２１および２２２の直下に当たる位置の基板１００には、ソルダーレジストが開口して金属配線が露出した露出部１１０が設けられる。

そして、同図におけるｂに示すように、基板１００の表面に素子２００が載置される。その際、同図におけるｃに示す断面図のように、基板１００の露出部１１０に接着部１９０が塗布される。これにより、基板１００の露出部１１０と、素子２００の発熱部２２１および２２２との間は、接着部１９０を介して接着される。

図５は、本技術の第１の実施の形態における基板１００および素子２００を含む半導体装置の製造工程例を示す図である。

同図におけるａに示すように、素子２００の上面の周辺部に配置される入出力端子と基板１００との間を電気的に接続するために、ワイヤ３００によってワイヤボンドする。

そして、同図におけるｂに示すように、枠体４００が素子２００の周辺部の基板１００に接着される。さらに、同図におけるｃに示すように、枠体４００の上部に透光材５００が接着される。これにより、半導体装置が形成される。

なお、同図におけるｃの点線で囲まれた部分を拡大した図を次図に示す。

図６は、本技術の第１の実施の形態における放熱の例を示す図である。

同図に示すように、素子２００の発熱部２０１の直下が基板１００の金属配線１５０に接着部１９０を介して接着されているため、基板１００内の金属配線１５０を経て放熱され易い構造となっている。

このように、本技術の第１の実施の形態では、素子２００の発熱部２２１および２２２の直下に当たる位置の基板１００に、金属配線が露出した露出部１１０を設け、接着部１９０を介して両者を選択的に接着する。これにより、素子２００において発生した熱を基板１００内の金属配線１５０から放熱させることができる。

＜２．第２の実施の形態＞
上述の第１の実施の形態では固体撮像素子を同一シリコン基板上に形成した場合を想定したが、近年では積層構造により固体撮像素子を形成したものが利用されるようになっている。そこで、この第２の実施の形態では、積層構造の固体撮像素子を想定した例について説明する。

［半導体装置の構造］
図７は、本技術の第２の実施の形態における積層構造の固体撮像素子の一例を示す図である。

積層構造の固体撮像素子は、例えば、受光面となる画素部２５１を有する層２５０と、ＡＤ変換などの信号処理回路部を有する層２６０とを積層した構造を備える。上述のように、固体撮像素子としての駆動時には、主に回路部が発熱する。その際、回路の機能によって、通常程度の発熱部２６１と、それよりも高い高発熱部２６２とが生じ得る。これらの熱による影響が他の層２５０の画素部２５１に及ぶと、ノイズの増加などの画質劣化を引き起こすおそれがある。

図８は、本技術の第２の実施の形態における基板１００の構造例を説明するための上面図である。

上述の通り、層２６０の回路部が主な発熱源となる。そこで、基板１００には、同図におけるａに示すように、発熱部２６１および２６２の直下に当たる位置に、ソルダーレジストの開口を予め設けておいて、基板１００の金属配線が露出した露出部１１０として機能させる。

そして、同図におけるｂに示すように、基板１００に層２５０および２６０からなる積層構造の固体撮像素子を載置する。その際、熱伝導性を有する接着部１９０を基板１００の露出部１１０に塗布し、素子を接着する。これにより、同図におけるｃに示すように、素子の発熱部２６１および２６２の直下が接着部１９０により基板１００に接着される。

なお、以降の製造工程については、上述の第１の実施の形態と同様であるため、詳細な説明は省略する。

一般に、素子の発熱は面内分布を持つため、高発熱部２６２の直下に当たる位置の基板１００に、より多くの金属配線を露出させて接着部１９０を介して放熱させることにより、面内の温度分布を減らして均一化することができる。また、素子の発熱レベルに応じて、金属配線の露出部１１０の数や面積を調整することも可能である。

このように、本技術の第２の実施の形態では、積層構造の素子の発熱部２６１および２６２の直下に当たる位置の基板１００に、金属配線が露出した露出部１１０を設け、接着部１９０を介して両者を接着する。これにより、積層構造の素子において発生した熱を基板１００内の金属配線１５０から放熱させることができる。

＜３．変形例＞
上述の実施の形態では、基板１００のソルダーレジストを円形状または点状に開口して、金属配線１５０を露出部１１０に露出させていた。そして、高発熱部の直下には開口を多く設け、低発熱部には開口を少なく設けることで、高発熱部からの放熱を促し、素子面内の温度分布を均一化させるようにしている。これに対し、露出部１１０の開口形状および配置は、以下のように種々の変形例が想定される。

［開口形状］
図９は、本技術の実施の形態における露出部１１０の第１の変形例を示す図である。

この例では、上述の第１の実施の形態のように、載置される素子の周囲に発熱部が想定される場合に、その直下に当たる位置の基板１００のソルダーレジストの面積を大きく開口して露出部１２０を露出させている。すなわち、露出部１２０の開口形状は長方形となっている。この場合、露出部１２０に接着部１９０を多く線状に塗布して、素子を接着することができる。

このような露出部１２０の配置は、基板１００における配線の制約が少ない場合に適用し得る。

図１０は、本技術の実施の形態における露出部１１０の第２の変形例を示す図である。

この例では、素子の両側の発熱量が小さいものと想定して、基板１００の両側には露出部１２０を設けていない。ただし、その上に接着部１９０を塗布して、素子を接着するようにしてもよい。これにより、放熱性を調整することができる。

［開口密度］
図１１は、本技術の実施の形態における露出部１１０の第３の変形例を示す図である。

同図におけるａに示すように、想定される発熱量の異なる発熱部２６１および２６２がある場合、それらの直下の露出部１１０の密度は温度分布に応じて変化させるようにしてもよい。

すなわち、同図におけるｂに示すように、発熱部２６１よりも高い高発熱部２６２の直下の露出部１１０については、より高い密度により配置することが望ましい。このように、露出部１１０の疎密を変えることにより放熱を調整し、素子面内の温度分布を均一化させることができる。

［開口配置］
図１２は、本技術の実施の形態における露出部１１０の第４の変形例を示す図である。

同図におけるａに示すように、固体撮像素子の設計制約などにより素子内での発熱部の位置が変わった場合、それに合わせて露出部１１０の配置を設けてもよい。

すなわち、同図におけるｂに示すように、発熱部２６１および２６２の位置に合わせて露出部１１０の配置を設けることが望ましい。さらに、接着部１９０の塗布レイアウトも変更することにより、放熱性調整の自由度を向上させることができる。

［開口の有無］
図１３は、本技術の実施の形態における露出部１１０の第５の変形例を示す図である。

発熱量が高いことが想定される高発熱部２０２については、同図におけるａに示すように、基板１００のソルダーレジストを開口させた露出部１１０を多く設け、接着部１９１によって固体撮像素子の裏面を金属配線１５０に直接接着することによって、より放熱性を高めることが望ましい。

一方、発熱量が中程度であることが想定される中発熱部２０３については、同図におけるｂに示すように、露出部１１０を減らして設けて接着部１９２により接続することによって、放熱性を抑えるようにしてもよい。これにより、放熱性を調整して、素子面内の温度分布の均一化を図ることができる。

また、発熱量が低いことが想定される低発熱部２０４については、同図におけるｃに示すように、基板１００のソルダーレジストを開口させず、基板１００の金属配線１５０を露出させることなく接着部１９３によって接着する。これにより、放熱性をさらに抑えて、素子面内の温度分布をより均一化することができる。

図１４は、本技術の実施の形態における露出部１１０の第６の変形例を示す図である。

この例では、金属配線１５０が露出している部分の接着部１９２と、金属配線１５０が露出していない部分の接着部１９３とが混在した例を示している。例えば、基板１００の金属配線１５０のデザインによっては、固体撮像素子の高発熱部２０２の直下に十分な露出部１１０を設けられない場合も想定される。そのような場合には、同図のように接着部１９２および１９３を組み合わせて設けるようにしてもよい。これにより、放熱性を調整することができる。

また、熱伝導性の異なる複数の接着剤を接着部として用意して、上述のような露出部の配置や接着部の塗布レイアウトと組み合わせることによって、素子の温度分布に応じてより細かく放熱性を調整するようにしてもよい。

なお、上述の実施の形態は本技術を具現化するための一例を示したものであり、実施の形態における事項と、特許請求の範囲における発明特定事項とはそれぞれ対応関係を有する。同様に、特許請求の範囲における発明特定事項と、これと同一名称を付した本技術の実施の形態における事項とはそれぞれ対応関係を有する。ただし、本技術は実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において実施の形態に種々の変形を施すことにより具現化することができる。

なお、本明細書に記載された効果はあくまで例示であって、限定されるものではなく、また、他の効果があってもよい。

なお、本技術は以下のような構成もとることができる。
（１）金属配線を備える基板と、
前記基板の表面に載置される固体撮像素子と、
所定の熱電導性を有して前記固体撮像素子の一方の面における所定の領域を前記基板に接着する接着部と
を具備する半導体装置。
（２）前記接着部は、前記固体撮像素子の温度分布に応じて低温部よりも高温部の方がより広い面積を有する
前記（１）に記載の半導体装置。
（３）前記基板は、前記表面において絶縁膜を備え、
前記基板における前記絶縁膜は、前記所定の領域において開口して前記金属配線を露出させる露出部を備え、
前記接着部は、前記固体撮像素子の前記所定の領域と前記基板の前記金属配線とを接着する
前記（１）または（２）に記載の半導体装置。
（４）前記露出部は、前記固体撮像素子の温度分布に応じて低温部よりも高温部の方がより多く配置される
前記（３）に記載の半導体装置。
（５）前記露出部は、前記固体撮像素子の温度分布に応じて低温部よりも高温部の方がより高い密度で配置される
前記（３）に記載の半導体装置。
（６）前記露出部は、複数の円形状を備える
前記（３）に記載の半導体装置。
（７）前記所定の領域は、前記固体撮像素子の動作時最大温度となる領域である
前記（１）から（６）のいずれかに記載の半導体装置。
（８）前記所定の領域は、前記固体撮像素子において所定の回路が占有する領域である
前記（１）から（７）のいずれかに記載の半導体装置。
（９）前記所定の回路は、アナログデジタル変換回路である
前記（８）に記載の半導体装置。
（１０）前記接着部は、前記固体撮像素子の温度分布に応じて熱電導性の異なる複数種類の接着剤を備える
前記（１）から（９）のいずれかに記載の半導体装置。

１００基板
１１０、１２０露出部
１５０金属配線
１９０～１９３接着部
２００素子
２０１～２０４、２２１、２２２、２６１、２６２発熱部
２１０、２５１画素部
２２０回路部
２５０、２６０層
３００ワイヤ
４００枠体
５００透光材

Claims

金属配線を備える基板と、
前記基板の表面に載置される固体撮像素子と、
所定の熱電導性を有して前記固体撮像素子の一方の面における所定の領域を前記基板に接着する接着部と
を具備し、
前記接着部は、前記固体撮像素子の温度分布に応じて熱電導性の異なる複数種類の接着剤を備える
半導体装置。
前記接着部は、前記固体撮像素子の温度分布に応じて低温部よりも高温部の方がより広い面積を有する
請求項１記載の半導体装置。
前記基板は、前記表面において絶縁膜を備え、
前記基板における前記絶縁膜は、前記所定の領域において開口して前記金属配線を露出させる露出部を備え、
前記接着部は、前記固体撮像素子の前記所定の領域と前記基板の前記金属配線とを接着する
請求項１記載の半導体装置。
前記露出部は、前記固体撮像素子の温度分布に応じて低温部よりも高温部の方がより多く配置される
請求項３記載の半導体装置。
前記露出部は、前記固体撮像素子の温度分布に応じて低温部よりも高温部の方がより高い密度で配置される
請求項３記載の半導体装置。
前記露出部は、複数の円形状を備える
請求項３記載の半導体装置。
前記所定の領域は、前記固体撮像素子の動作時最大温度となる領域である
請求項１記載の半導体装置。
前記所定の領域は、前記固体撮像素子において所定の回路が占有する領域である
請求項１記載の半導体装置。
前記所定の回路は、アナログデジタル変換回路である
請求項８記載の半導体装置。