JP6034590B2

JP6034590B2 - 固体撮像装置及びカメラ

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Publication number: JP6034590B2
Application number: JP2012103831A
Authority: JP
Inventors: 長谷川　真; 真長谷川
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2012-04-27
Filing date: 2012-04-27
Publication date: 2016-11-30
Anticipated expiration: 2032-04-27
Also published as: US9143665B2; JP2013232781A; US20130286268A1

Description

本発明は、固体撮像装置及びカメラに関する。

固体撮像装置は、複数の画素が配された画素領域、及び画素領域からの画素信号を処理する処理部を有するイメージセンサチップを備えている。固体撮像装置は、例えば、信号処理部が画素信号の処理を行うことによって熱を発生する。この熱は、画素領域においてノイズを発生させ、画質を低下させうる。

特許文献１には、イメージセンサチップ２１を固定する基板２０に収容孔２０１を設け、イメージセンサチップ２１と接触するように収容孔２０１にヒートシンク２２を配置した構成が開示されている。イメージセンサチップ２１において発生した熱は、ヒートシンク２２を介して放熱される。

特開２００９−４９３６２号公報

イメージセンサチップの中に発熱量が局所的に大きい部分が存在する場合、画素領域において不均一な熱分布が発生し、その結果、取得された画像データにムラが生じうる。特許文献１では、上記熱分布をどのように均一化するかまでは考慮されていない。

本発明の目的は、イメージセンサチップにおける熱分布の均一化に有利な固体撮像装置と、それを適用したカメラとを提供することにある。

本発明の一つの側面は固体撮像装置にかかり、前記固体撮像装置は、複数の画素が配された画素領域及び前記画素領域の周辺に配された周辺領域を有するイメージセンサチップと、長辺と短辺とを有する基板を含む固定部と、前記イメージセンサチップと前記基板とを接着する接着部材と、を備え、前記周辺領域は、前記複数の画素からの信号に対して信号処理を行う回路部であり、前記長辺と前記短辺のうち前記長辺の近くに配された第１部分と、前記第１部分よりも発熱量が小さく、前記長辺と前記短辺のうち前記短辺の近くに配された第２部分と、を有し、前記接着部材は、前記第１部分と前記第２部分のうち前記第１部分の近くにおいて前記長辺に沿って配された第１接着部材領域と第２接着部材領域とを有し、前記第１接着部材領域と前記第２接着部材領域との間には空間が形成されており、前記固定部は、前記基板の前記長辺に配され且つ前記基板を基材に連結する連結部を有し、且つ、前記基板の前記短辺には前記基板と前記基材とを連結する他の連結部を有しない、ことを特徴とする。

本発明によれば、イメージセンサチップにおける熱分布の均一化に有利な固体撮像装置を提供することができる。

固体撮像装置の構成の一例を説明する図。第１実施形態の固体撮像装置の構成の一例を説明する図。第１実施形態のシミュレーション結果を説明する図。比較例のシミュレーション結果を説明する図。他の構成例を説明する図。他の構成例を説明する図。第２実施形態の構成の一例を説明する図。第２実施形態のシミュレーション結果を説明する図。

＜第１実施形態＞
図１乃至６を参照しながら、第１実施形態の固体撮像装置１を説明する。図１（ａ）は、固体撮像装置１の構成の例を説明するブロック図である。固体撮像装置１は、画素領域１０、垂直走査回路１５_Ｖ、水平走査回路１５_Ｈ、読出部１６、増幅部１７、変換部１８、出力部１９及びこれらを制御する制御部２０を備えている。画素領域１０は、複数の画素１１が複数の行及び複数の列を構成するように配されている。図１（ｂ）は、単位画素１１の回路構成の例を示している。画素１１は、フォトダイオードＰＤ及び複数のトランジスタを用いて構成されうる。画素１１は、光がフォトダイオードＰＤに入射することによって発生した電荷を蓄積し、複数のトランジスタによって、この蓄積した電荷に応じた信号（画素信号）を列信号線ＬＨに出力する。

垂直走査回路１５_Ｖは、例えば、制御信号ＳＥＬによって、画素領域１０のうち画素１１を駆動する行を選択する。また、垂直走査回路１５_Ｖは、例えば、制御信号ＲＥＳによって、画素領域１０のうち画素１１を初期化する行を選択する。水平走査回路１５_Ｈは、複数の画素１１から列信号線ＬＨを介して出力された画素信号のそれぞれを、信号線を介して読出部１６に転送し、これによって、読出部１６は、複数の画素１１から画素信号をそれぞれ読み出しうる。増幅部１７は、読み出された画素信号を増幅しうる。変換部１８は、増幅部１７によって増幅された画素信号をアナログ信号からデジタル信号に変換しうる。固体撮像装置１は、このようにして画像データを取得し、例えば、出力部１９から不図示の表示部等に画像データを出力する。

図２を参照しながら、固体撮像装置１の構造の例を説明する。図２（ａ）は、固体撮像装置１の上面図を示している。図２（ｂ）は、固体撮像装置１のカットラインＡ−Ａ’の断面図を示している。図２（ｃ）は、固体撮像装置１のカットラインＢ−Ｂ’の断面図を示している。固体撮像装置１は、イメージセンサチップ３０及び固定部４０を備えている。イメージセンサチップ３０は、半導体基板３５の上に、画素領域１０と、画素領域１０の周辺に配された周辺領域５０とを有している。また、イメージセンサチップ３０は、上面から見たその外縁を、ここでは、長方形で示した。固定部４０は、イメージセンサチップ３０を保持部６０に取り付けている。これによって、保持部６０はイメージセンサチップ３０を保持している。

固定部４０は、イメージセンサチップ３０を保持するための基板４１と、基板４１を保持部６０に連結するための連結部４２とを含んでいる。基板４１には、例えば、アルミナ、窒化アルミニウム、ＳｉＣ等のセラミック材料のように、熱を伝導させるのに有利な材料を用いるとよく、特に、熱伝導率の高いセラミック材料がよい。また、固定部４０は、図２に例示されるように、基板４１とイメージセンサチップ３０との間に、基板４１とイメージセンサチップ３０とを接着する接着部材４３を含みうる。接着部材４３は、例えば、エポキシ樹脂やシリコーン樹脂を有する接着剤を含む。接着部材４３は、銀等のフィラーを含んでもよく、これによって接着部材４３の熱伝導率が高くなる。

また、固定部４０は、図２に例示されるように、その外周に、透明部材７０（ガラスや水晶等を含む。）を支持するための支持部４４を有していてもよい。支持部４４は、基板４１の外周に沿って、イメージセンサチップ３０を取り囲むように配されてもよいし、そのうちの一部に配されてもよい。また、支持部４４と基板４１とは一体であってもよいし、支持部４４と連結部４２とが一体であってもよい。例えば、基板４１の上に、連結部４２と支持部４４を含む枠形状の部材を設けることで固定部４０を形成することが出来る。支持部４４には、熱を伝導させるのに有利な金属や樹脂等が用いられうる。例えば、ＳＵＳ４３０やＳＵＳ３０４等のステンレス、銅合金、アルミ合金、鉄・ニッケル合金、コバール等の熱伝導率の高い金属や、熱伝導率の高い樹脂を用いるとよい。特に、４２アロイ（ニッケル４２％を含む鉄合金）、４２６アロイ（ニッケル４２％、クロム６％を含む鉄合金）、及びコバール（ニッケル２９％、コバルト１７％を含む鉄合金）は、線膨張係数が小さいため、製造において有利である。

周辺領域５０は、第１部分５１と第２部分５２とを有している。第１部分５１は、例えば、信号処理部や演算部のように、周辺領域５０において発熱量が相対的に大きい機能ブロックを含み、第２部分５２は、発熱量が相対的に小さい機能ブロックを含んでいる。即ち、第１部分５１は、第２部分５２よりも発熱量が大きい。本実施形態では、例えば、読出部１６、増幅部１７、又は変換部１８が第１部分５１に該当しうる。発熱量は、その部位の回路規模や、駆動時間や、駆動周波数や、駆動消費電流などに基づいて、適宜、算出することが出来る。ここでは、２つの第１部分５１が、画素領域１０を挟むように、イメージセンサチップ３０の長辺のそれぞれに沿って配された場合を示している。

ここで、基板４１は、第１辺４１Ｘと第２辺４１Ｙとを有している。第１部分５１は、第１辺４１Ｘと第２辺４１Ｙのうち第１辺４１Ｘの近くに配されている。第２部分５２は、第１辺４１Ｘと第２辺４１Ｙのうち少なくとも第２辺４１Ｙの近くに配されている。また、連結部４２は、基板４１の第１辺４１Ｘに配されている。固定部４０は、イメージセンサチップ３０を保持部６０に固定するのに有利な形状にすればよく、本実施形態では、連結部４２が、保持部６０と接触する面積が大きくなるように、接触する面に対して平行な方向に突出した形状を有している。これにより、固定部４０と保持部６０とが接触する部分の熱コンダクタンスを大きくすることができる。また、連結部４２には、ネジ穴４２Ｃが設けられている。イメージセンサチップ３０は、固定部４０の連結部４２を介して、保持部６０に固定されうる。ここでは、この固定は、ネジを用いたクランプによって為されるが、接着剤を用いて為されてもよいし、金属で溶接することによって為されてもよい。このようにして、固定部４０は、第１部分５１から保持部６０までの熱コンダクタンスが、第２部分５２から保持部６０までの熱コンダクタンスよりも大きくなるように構成されている。これにより、第１部分５１において発生した熱は効果的に放熱されうる一方で、第２部分５２において発生した熱は、第１部分５１において発生した熱に比べて放熱されにくくなっている。

図３を参照しながら、固体撮像装置１についての温度分布のシミュレーション結果について述べる。シミュレーションは、固体撮像装置１をＡＰＳ−Ｃサイズとして行った。また、基板４１には厚さ１．２ｍｍのアルミナセラミックを用い、接着部材４３には厚さ２０μｍのシリコーン樹脂を用い、連結部４２及び支持部４４には厚さ１．２ｍｍのＳＵＳ４３０、透明部材７０には厚さ０．５ｍｍのガラスを用いるものとした。図３は、第１部分５１の発熱量を１Ｗとしたときのイメージセンサチップ３０の温度分布のシミュレーション結果を示している。図３において濃淡の区分けをしている線は、０．１℃毎の等高線を示している。領域１０１は、上記シミュレーションの結果のうち、イメージセンサチップ３０において最も温度が高かった部分を示しており、領域１０２は、最も温度が低かった部分を示している。領域１０１と領域１０２との温度の差は０．５℃であった。

図４（ａ）には、参考例として、連結部４２が基板４１の第２辺４１Ｙに配されている場合の正面図を示し、図４（ｂ）には、この場合のシミュレーション結果を示している。領域９０１は、イメージセンサチップ３０において、最も温度が高かった部分を示しており、領域９０２は、最も温度が低かった部分を示している。領域９０１と領域９０２との温度の差は１．４℃であった。

以上のシミュレーション結果からも分かるように、固体撮像装置１は、第１部分５１において発生した熱が効果的に放熱されている一方で、第２部分５２において発生した熱が、第１部分５１において発生した熱に比べて放熱されにくくなっている。このように、固体撮像装置１は、イメージセンサチップ３０において生じた不均一な熱分布を均一化している。ここで述べた不均一な温度分布は、例えば、３５ｍｍフルサイズ等の大型の固体撮像装置において顕著になりうるが、上記構成は、大型の固体撮像装置に限定されず、広く適用されうる。

以上に例示されるように、固定部４０は、第１部分５１から保持部６０までの熱コンダクタンスは、第２部分５２から保持部６０までの熱コンダクタンスよりも大きくなるように構成されている。これによって、第１部分５１において発生した熱は効果的に放熱されうる一方で、第２部分５２において発生した熱は、第１部分５１において発生した熱に比べて放熱されにくい。よって、固体撮像装置１は、イメージセンサチップ３０における熱分布の均一化に有利である。

図５は、固定部４０の構成の他の例、特に、連結部４２と第１部分５１との位置関係の具体例を示している。図５は、前述と同様にして、上面から見たイメージセンサチップ３０の外縁を長方形で示している。図５（ａ）乃至（ｄ）は、１つの第１部分５１がイメージセンサチップ３０の長辺に沿って配されている場合を示している。基板４１のうち第１部分５１が近接している辺に連結部４２が配されている。図５（ａ）は、連結部４２が、第１部分５１よりも第１辺４１Ｘに平行な方向の長さが大きい場合を示している。また、第１辺４１Ｘにおいて連結部４２が配されている部分は、第１部分５１及び第２部分５２のうち第１部分５１が近くに配されている部分を含んでいる。図５（ｂ）は、連結部４２の長さが第１部分５１の長さよりも小さく、連結部４２が第１部分５１の一部に近接するように配されている場合を示している。図５（ｃ）は、図５（ａ）及び（ｂ）に対して第１部分５１が短い場合を示しており、連結部４２と第１部分５１との位置関係は、図５（ａ）の場合と同様である。図５（ｄ）は、連結部４２の一部が第１部分５１の一部に近接するように配されている場合を示している。また、図５（ｅ）及び（ｆ）は、２つの第１部分５１ａ及び５１ｂがイメージセンサチップ３０の一方の長辺に沿って配されている場合を示しており、該長辺に連結部４２が配されている。図５（ｅ）は、１つの連結部４２が２つの第１部分５１ａ及び５１ｂのそれぞれの全ての部分に近接するように配されている場合を示している。図５（ｆ）は、２つの第１部分５１ａ及び５１ｂのそれぞれが互いに離れて配されており、２つの連結部４２ａ及び４２ｂのそれぞれが互いに離れて配されている場合を示している。ここでは、連結部４２ａが第１部分５１ａの全ての部分に近接するように配され、連結部４２ｂが第１部分５１ｂの全ての部分に近接するように配されている場合を示している。また、図５（ｇ）は、２つの第１部分５１ａ及び５１ｂの一方がイメージセンサチップ３０の一方の長辺に沿って配されており、第１部分５１ａ及び５１ｂの他方がイメージセンサチップ３０の一方の短辺に沿って配されている場合を示している。そして、２つの連結部４２ａ及び４２ｂの一方（ここでは、連結部４２ａ）は、第１部分５１ａが近接している該長辺に配され、他方（ここでは、連結部４２ｂ）は、第１部分５１ｂが近接している該短辺に配されている。固定部４０には、以上に例示した構造のいずれかを適用してもよい。特に、固定部４０は、連結部４２と第１部分５１とが近接する部分が大きいものほど、第１部分５１において発生した熱を効果的に放熱しうる。

その他、固定部４０は、図６に例示されるように、基板４１と支持部４４とを、例えば、エポキシ樹脂等を含む樹脂で構成し、基板４１の内部を貫通するように連結部４２を設けてもよい。図６（ａ）乃至（ｃ）のそれぞれは、図２と同様にして、固体撮像装置１の上面図、カットラインＡ−Ａ’の断面図、カットラインＢ−Ｂ’の断面図をそれぞれ示している。図６で用いられている記号は、前述と同様のものを示している。連結部４２は、前述と同様にして、基板４１の第１辺４１Ｘに配されている。固体撮像装置１は、このような構成にしても、上述のような効果が効率的に得られる。

＜第２実施形態＞
図７又は８を参照しながら、第２実施形態の固体撮像装置２を説明する。図７（ａ）乃至（ｃ）のそれぞれは、図２又は６と同様にして、固体撮像装置２の上面図、カットラインＡ−Ａ’の断面図、カットラインＢ−Ｂ’の断面図をそれぞれ示している。固体撮像装置２は、固定部４０が、基板４１とイメージセンサチップ３０との間に第１領域Ｒ_１と第２領域Ｒ_２とをさらに含んでいる点で、第１実施形態と異なる。また、第１領域Ｒ_１と第２領域Ｒ_２とは互いに異なる領域である。図７で用いられている他の記号は、第１実施形態と同様のものを示している。また、第１実施形態では、連結部４２の厚さと支持部４４の厚さとが同じになるように示したが、図７に例示されているように、これらの厚さは互いに異なってもよい。第１領域Ｒ_１は、第２領域Ｒ_２よりも熱伝導性が大きくなっている。ここでは、第１領域Ｒ_１には、基板４１とイメージセンサチップ３０とを接着する接着部材４３が配されている。即ち、接着部材４３は、基板４１とイメージセンサチップ３０との間に選択的に配置されるように、固定部４０に含まれている。第２領域Ｒ_２には、接着部材４３よりも熱伝導性が低い部材が配されてもよいし、図７（ｂ）に示されるように空間（空洞）にしてもよい。

第１領域Ｒ_１は、第１部分５１及び第２部分５２のうち少なくとも第１部分５１に近接するように配されている。第２領域Ｒ_２は、第１部分５１及び第２部分５２のうち少なくとも第２部分５２に近接するように配されている。これにより、第１部分５１において発生した熱は効果的に放熱されうる一方で、第２部分５２において発生した熱は、第１部分５１において発生した熱に比べて放熱されにくい。よって、イメージセンサチップ３０の温度分布は、より効果的に均一化されうる。

図８は、第１実施形態と同様にして、固体撮像装置２におけるイメージセンサチップ３０の温度分布についてのシミュレーション結果を示している。領域２０１は、上記シミュレーションの結果のうち、イメージセンサチップ３０において最も温度が高かった部分を示しており、領域２０２は、最も温度が低かった部分を示している。領域２０１と領域２０２との温度の差は０．４℃であった。よって、本実施形態によると、イメージセンサチップ３０の温度分布を均一化する効果は、第１実施形態（領域１０１と領域１０２との温度の差は０．５℃）に比べてさらに向上している。このように、固体撮像装置２は、イメージセンサチップ３０における熱分布の均一化にさらに有利である。

以上の２つの実施形態を述べたが、本発明はこれらに限られるものではなく、目的、状態、用途、機能、およびその他の仕様の変更が適宜可能であり、他の実施形態によっても実施されうることは言うまでもない。例えば、画素領域は、ＣＭＯＳイメージセンサとして構成されている場合を示したが、その他の如何なるセンサを用いてもよい。また、例えば、図１（ａ）に例示した構成は、画素信号についての増幅やアナログデジタル変換等の順番を変えてもよく、この構成に限定されるものではない。また、以上では、上面図におけるイメージセンサチップの外縁を長方形で示したが、この外縁は正方形などの矩形や多角形や曲線を含む形状や円であってもよい。また、以上は、カメラに含まれる固体撮像装置について述べたが、カメラの概念には、撮影を主目的とする装置のみならず、撮影機能を補助的に備える装置（例えば、パーソナルコンピュータ、携帯端末）も含まれる。

Claims

複数の画素が配された画素領域及び前記画素領域の周辺に配された周辺領域を有するイメージセンサチップと、
長辺と短辺とを有する基板を含む固定部と、
前記イメージセンサチップと前記基板とを接着する接着部材と、を備え、
前記周辺領域は、
前記複数の画素からの信号に対して信号処理を行う回路部であり、前記長辺と前記短辺のうち前記長辺の近くに配された第１部分と、
前記第１部分よりも発熱量が小さく、前記長辺と前記短辺のうち前記短辺の近くに配された第２部分と、
を有し、
前記接着部材は、前記第１部分と前記第２部分のうち前記第１部分の近くにおいて前記長辺に沿って配された第１接着部材領域と第２接着部材領域とを有し、
前記第１接着部材領域と前記第２接着部材領域との間には空間が形成されており、
前記固定部は、前記基板の前記長辺に配され且つ前記基板を基材に連結する連結部を有し、且つ、前記基板の前記短辺には前記基板と前記基材とを連結する他の連結部を有しない、
ことを特徴とする固体撮像装置。
複数の画素が配された画素領域及び前記画素領域の周辺に配された周辺領域を有するイメージセンサチップと、
長辺と短辺とを有する基板及び前記基板を基材に連結する連結部を含む固定部と、
前記イメージセンサチップと前記基板とを接着する接着部材と、
前記イメージセンサチップに入射する光を通過させる透明部材と、を備え、
前記周辺領域は、
前記複数の画素からの信号に対して信号処理を行う回路部であり、前記長辺と前記短辺のうち前記長辺の近くに配された第１部分と、
前記第１部分よりも発熱量が小さく、前記長辺と前記短辺のうち前記短辺の近くに配された第２部分と、
を有し、
前記接着部材は、前記第１部分と前記第２部分のうち前記第１部分の近くにおいて前記長辺に沿って配された第１接着部材領域と第２接着部材領域とを有し、
前記第１接着部材領域と前記第２接着部材領域との間には空間が形成されており、
前記連結部は、前記基板の前記長辺に配され、
前記固定部は、前記透明部材を支持するための支持部であって前記透明部材と前記基板との間に設けられた支持部をさらに含み、
前記支持部と前記連結部とは、一体に形成されており且つ前記基板とは異なる材料で構成されている、
ことを特徴とする固体撮像装置。
前記イメージセンサチップの上面に対して垂直な方向において、前記第１部分は前記第１接着部材領域及び／又は前記第２接着部材領域と重なっている
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の固体撮像装置。
前記連結部は、前記第１部分よりも前記長辺に平行な方向の長さが大きく、
前記長辺において前記連結部が配されている部分は、前記第１部分及び前記第２部分のうち前記第１部分が近くに配されている部分を含んでいる、
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
前記連結部は、前記基材と接触している、
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
前記連結部は、前記連結部と前記基材とをネジにより互いに固定するための穴を有する
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
複数の画素が配された画素領域及び前記画素領域の周辺に配された周辺領域を有するイメージセンサチップと、
長辺と短辺とを有する基板を含む固定部と、
前記イメージセンサチップと前記基板とを接着する接着部材と、を備え、
前記周辺領域は、前記複数の画素からの信号に対して信号処理を行う回路部を有し、
前記回路部は、前記短辺よりも前記長辺の近くに配されており、
前記接着部材は、前記回路部に近接するように前記長辺に沿って配された第１接着部材領域と第２接着部材領域とを有し、
前記第１接着部材領域と前記第２接着部材領域との間には空間が形成されており、
前記固定部は、前記基板の前記長辺に配され且つ前記基板を基材に連結する連結部を有し、且つ、前記基板の前記短辺には前記基板と前記基材とを連結する他の連結部を有しない、
ことを特徴とする固体撮像装置。
前記回路部は、前記複数の画素から画素信号をそれぞれ読み出す読出部、前記画素信号を増幅する増幅部および前記画素信号をアナログ信号からデジタル信号に変換する変換部のうち少なくとも一つを含む、
ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
請求項１乃至８のいずれか１項に記載の固体撮像装置を備え、
前記固体撮像装置は前記固定部によって固定されている、
ことを特徴とするカメラ。