(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回路基板に画像センサを取り付ける方法であって、この方法は、
ダイに、単量体として多官能アクリル酸樹脂を、結合材としてアクリル酸およびアクリレート共重合体を、光重合開始剤としてジトリハロメチルＳトリアジンを含む顔料分散光重合体の色フィルタ・アレイ（ＣＦＡ）材料を、前記ＣＦＡの赤、緑および青の各色ごとに、堆積することによって、塗布する工程と、
前記ダイを銀入りエポキシのような低剛性エポキシを用いてパッケージに結合する工程と、
前記パッケージを一括リフロー・プロセスによって回路基板に取り付ける工程とから成り、
前記ダイをパッケージに結合する工程は、第１の温度でベークしたあと、このベーク時間と同じ時間に亘って前記第１の温度より高い温度でベークして前記低剛性エポキシを２段階硬化させるプロセスであることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（発明の背景）
１．発明の分野
記述される発明は、集積回路パッケージの分野に関する。より詳細には、本発明は、一括リフロー・プロセスによって回路基板に実装することができる集積回路パッケージに関する。
【０００２】
２．関連技術の説明
集積回路パッケージの外部にある光または他の放射源で集積回路が照明または照射される様々な用途で窓付き集積回路パッケージが使用されている。画像センサが窓付き集積回路パッケージの１つの用途である。
【０００３】
例えば、フォトダイオード・アレイは窓付き集積回路パッケージの内部に配置されている。光検出器アレイは、光検出器アレイに入射する光に基づいて画像データ出力を供給する。光検出器アレイは、画像を取り込むために、またはその他の画像再生用途に使用されることが多い。色フィルタ・アレイ（ＣＦＡ）用材料は、光検出器と共に用いられ、画像センサに当る光を濾過して自然色画像の形成を可能にする。各フィルタにより、所定の色の光が対応する光検出器に到達することができるようになり、光のどの色が光検出器で感知されるかが決定される。光センサの組をグループ化することで、ある領域に到達する光の強度および色を決定することができる。
【０００４】
集積回路（ＩＣ）パッケージは、回路基板へのパッケージの一括リフローおよび手作業半田付けおよび高温棒半田付けを含んだ様々な技法で回路基板に実装される。しかし、手作業半田付けおよび高温棒半田付けは比較的遅くて高価なプロセスである。
【０００５】
一括リフロー基板実装は高速の自動プロセスである。一括リフローは、ＩＣパッケージの温度を約２１５から２２５℃に上げるいくつかの異なる方法の１つのことを言う。この高温で、集積回路基板のパッドにある半田は溶けＩＣパッケージのリード線に付着する。半田が冷えた後で、ＩＣパッケージは半田パッドにしっかり結合されている。一括リフローには、赤外線、対流および気相の技法が含まれる。
【０００６】
窓付きプラスチック・パッケージのような非セラミック・パッケージは、対応するセラミック窓付きパッケージよりも安価であるので、セラミック・パッケージよりも望ましい。しかし、市販の窓付きプラスチック・パッケージは一括リフロー基板実装の温度要件を満足しない。この窓付きプラスチック・パッケージは、パッケージ本体が一括リフロー・プロセスの高温に達しないようにする手作業半田付けのような技法を使用して回路基板に取り付けられる。
【０００７】
一括リフロー・プロセスで試験された標準の窓付きプラスチック・パッケージは、プラスチックとガラス窓の熱膨張不整合による蓋のひび割れ、蓋接合材の剥離およびダイ取付け材からのダイの剥離のような問題がある。
【０００８】
画像センサに一括リフローを使用することに関する他の問題は、ＣＦＡ材料が高温で安定でないことである。例えば、分子染料で作られたＣＦＡ材料が画像センサで使用されることが多い。染色されたポリイミドのような染色されたＣＦＡ材料は、一括リフローの高温にさらされた時に、黄味を帯びてくることがある。これは画像センサの色性能に影響を及ぼす。
【０００９】
（発明の概要）
撮像システムは、一括リフロー・プロセスによって回路基板に取り付けられた画像センサを含んでいる。画像センサは、画像データを取り込み、その画像データを撮像システムの出力から供給する。一実施態様では、画像センサは、一括リフロー・プロセスの間に実質的に安定な色フィルタ・アレイ（ＣＦＡ）用材料を使用する。
【００１０】
（詳細な説明）
一括リフロー・プロセスによって実装することのできる画像センサが開示される。日本国、京都に本拠を置く京セラ株式会社より市販される窓付きプラスチックＱＦＰパッケージを変更することで、モールド・パッケージから蓋が剥離することなく、またはモールド・パッケージからダイが剥離することなく、プラスチック・パッケージが一括リフロー・プロセスに耐えることができるようになることを出願人は見出した。さらに、高温安定性を有するＣＦＡ材料を使用することで、画像センサは、一括リフロー・プロセスにさらされても色性能を維持することができるようになる。
【００１１】
パッケージ
次の項では、画像センサを収納するために使用されるパッケージの一実施形態を説明する。また、そのパッケージは、インテル株式会社と京セラ株式会社に譲渡された「Ｍａｓｓ  Ｒｅｆｌｏｗａｂｌｅ  Ｗｉｎｄｏｗｅｄ  Ｎｏｎ−Ｃｅｒａｍｉｃ  Ｐａｃｋａｇｅ（一括リフロー可能窓付き非セラミック・パッケージ）」という名称の同時継続米国特許出願第        号にも記述されている。このプラスチック・パッケージはより安価であるために好ましい。しかし、一括リフロー・プロセスは、また、プラスチックではなくてセラミックで作られた窓付きパッケージにも応用されてもよい。
【００１２】
窓付きプラスチック・パッケージは画像センサを収納するために使用されることもある。一実施形態では、画像センサ・ダイは、２４０ミル（６．１ミリメートル）×２４０ミル（６．１ミリメートル）よりも大きな寸法である。ガラスとプラスチック間の直接封止は、そのような大きなダイを収納するパッケージに対して行われない。その代わりに、説明するように、セラミックとプラスチックを結合するため、又はセラミックとガラスを結合するために、セラミック枠が使用される。
【００１３】
図１は、一括リフロー可能な窓付きＱＦＰパッケージ１０の断面ブロック図を示す。非セラミック・モールド・パッケージ１２がパッケージ本体を構成している。一実施形態では、京セラ株式会社で開発されたオルソ・クレゾール・ノボラックの低水分モールド材のような、低水分プラスチックで非セラミック・モールド・パッケージが作られている。一実施形態では、凹み２２は、成形後にモールド・パッケージを取り出すために突き出しピンが使用された場所を示している。添付１は、京セラ株式会社の低水分モールド成形材料の材料特性の例を含む。
【００１４】
ダイ取付け材１４は、ダイ１６を所定の位置に保持するために使用される。一実施形態では、ダイ取付け材１４は、カリフォルニア州、Ｒａｎｃｈｏ  Ｄｏｍｉｎｇｕｅｚに本拠を置くＡｂｌｅｓｔｉｋ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  ａｎｄ  Ａｄｈｅｓｉｖｅｓで製造された銀入りエポキシのような低剛性エポキシである。
【００１５】
ワイヤ・ボンド１８はダイ１６をリード・フレーム２０に取り付ける。ダイ取付け材１４は、一括リフロー・プロセスの高温に耐えるように選ばれる。ダイ取付け材１４またはモールド・パッケージ１２からのダイ１６の剥離が、一括リフロー中に問題となる可能性がある。出願人は、図３に関して述べるように、ダイ取付けの２段階硬化プロセスによって、この問題が解決されることを確認した。
【００１６】
蓋３０は、モールド・パッケージを封止する。一実施形態では、蓋３０はアルミナで作られたセラミック枠３２を含む。セラミック枠３２は透明な窓を保持する。一実施形態では、セラミック枠３２はガラス窓３４を保持する窪んだ棚状突起部を含む。一実施形態では、モールド・パッケージ１２とセラミック枠３２はビス・フェノールＡ型エポキシを使用して封止される。また、エポキシ封止はセラミック枠３２をガラス窓３４に封止するためにも使用される。添付２は、本発明で使用するのに適しているビス・フェノールＡ型封止剤の特性の概要を示す。
【００１７】
相補形金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）画像センサのダイの大きさは２４０ミル（６．１ミリメートル）×２４０ミル（６．１ミリメートル）を超えることがあるので、変更された窓付きパッケージは、特に相補形金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）画像センサに適しているが、これに限定されない。画像センサに適したパッケージの実施形態は、ダイの光感知部分の面積よりも僅かに大きな面積を有する窓を含む。
【００１８】
一実施形態では、窓は、ダイの光感知部分の面積の約１．２倍である。しかし、窓の大きさは、ダイからの距離に依存して変化する。図２および３は蓋とモールド・パッケージの一実施形態の概略図である。
【００１９】
図２は、セラミック枠３２およびガラス窓３４を含んだパッケージの蓋３０の一実施形態の概略図を示す。最初の寸法はミルの単位であり、括弧内の寸法はミリメートルの単位である。一実施形態では、ガラス窓３４はセラミック枠３２の窪んだ棚状突起部４０に取り付けられている。
【００２０】
図３は本発明に従ったＩＣパッケージ全体５０の一実施形態の概略図を示す。要素に表示された第１の寸法はインチの単位であり、第２の寸法（括弧内）はミリメートルの単位である。図示された実施形態は、特定の型のリード・フレーム（クワッド・フラット・パッケージＱＦＰ）を含むが、他の型のリード・フレームが使用されてもよい。さらに、マイクロ・ボール・グリッド・アレイ（マイクロＢＧＡ）、リードレス・チップ・キャリヤ（ＬＣＣ）、デュアル・インライン・パッケージ（ＤＩＰ）などのようなリードレス・パッケージを含んだ、他のパッケージが使用される可能性がる。
【００２１】
図４は、ダイを窓付き非セラミック・パッケージに取り付ける方法の一実施形態で行われるプロセス・ステップを示す。ステップ２０２で、ダイ取付け材がモールド・パッケージに一定量供給される。一実施形態では、前に述べたように、ダイ取付け材は銀入りエポキシのような低剛性エポキシで構成される。
【００２２】
プロセスはステップ２０４に続く。ステップ２０４で、ダイをダイ取付け材にしっかりと取り付けるために、圧力を加えながらダイをスクラビングするか、または前後に動かす。モールド・パッケージの滑らかな表面へのダイの優れた接着は、ダイの裏側に金をメッキしないで行われる。
【００２３】
ダイ取付け材は、ステップ２０６で硬化される。ダイ取付け材内の空隙を無くすることが重要である。空隙は剥離を引き起こす可能性がある。ダイ取付け材内の空隙を無くするためには、１段階硬化プロセスよりも２段階硬化プロセスほうがうまく行くことが分かった。一実施形態では、ダイ取付け材を１００℃で約１時間ベークし、次にダイ取付け材を約１５０℃でもう約１時間ベークする。
【００２４】
ブロック２０８で、ワイヤ・ボンドをダイとモールド・パッケージのリード・フレームの間に取り付ける。
【００２５】
ブロック２１２で、蓋をモールド・パッケージに取り付ける。一実施形態では、蓋はビス・フェノールＡ型エポキシでセラミック枠３２に取り付けられたガラス窓３４で構成される。エポキシは、ベークすることで硬化させる。一実施形態では、硬化は約７０分間温度を約１５０℃に上げて行う。一実施形態では、ガラス窓３４をセラミック枠３２に取り付けるために使用した同じエポキシを使用して、蓋をモールド・パッケージに取り付ける。さらに、同様に約７０分間温度を約１５０℃に上げて、エポキシを硬化させる。
【００２６】
一実施形態では、上のステップは１００以下クラス（ｃｌａｓｓ  ｓｕｂ  １００）に適合するクリーン・ルーム内の層流フードを使用して行われる。そのクリーン・ルームでは、１ミクロン以下の汚染粒子が１立方メートル当たり１００より少くない。これは組立て中でのダイの粒子汚染を防ぐのに役立つ。
【００２７】
一実施形態では、窓には２０ミクロンの引っ掻き傷の仕様がある。引っ掻き傷の仕様は、ガラス内の許容できる最も大きな欠陥を表す。それよりも大きな欠陥は、画像センサの撮像性能を害する。
【００２８】
一括リフロー・プロセスを行う前に封止されたパッケージ内の水分を減少させるために、袋詰めの直前に延長されたベーク・サイクルを用いる。一実施形態では、封止されたパッケージを１２５℃で４８時間ベークし、それから、保管または出荷用の水分防護袋に真空封止する。これによって、封止されたパッケージは、Ｉｎｓｉｔｕｔｅ  ｆｏｒ  Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇ  ａｎｄ  Ｐａｃｋｇｉｎｇ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｃｉｒｃｕｉｔｓ（ＩＰＣ）（電子回路相互接続包装協会）の水準４の表面実装要件を満たすことができるようになる。（ＩＰＣは、世界電子相互接続産業の２３００社以上を代表する業界連合である。）
【００２９】
封止されたパッケージを実装するための準備が完了した時に、封止されたパッケージを袋から取り出し、ブロック２１４に示すように、一括リフロー・プロセスを使用して回路基板に実装する。様々な種類の一括リフロー・プロセスがある。一実施形態では、下記に従う赤外線／対流一括リフロー・プロセスが使用される。すなわち、
１）約２２５℃の最大パッケージ本体温度、
２）２１５℃より高い時間は約３０秒であり、
３）１８３℃より高い時間は約１４０秒である。
【００３０】
窓付き非セラミックパッケージは、蓋がモールド・パッケージから剥離することがなく、またはダイがモールド・パッケージからはがれることもなく、上の一括リフロー・プロセスに耐えることができる。
【００３１】
ダイおよびＣＦＡ材料
一実施形態では、着色された色フィルタ・アレイ（ＣＦＡ）材料を各光検出器の表面に堆積する。一般に、赤、緑または青の色の１つをモザイク模様に堆積する。顔料の光、熱および化学薬品に対する安定性のために、顔料が分子染料に優る着色材として選ばれる。表１は出願人が使用した顔料の組成の例である。出願人は、ＣＦＡ材料が様々な温度にわたって非常に安定であることを見出した。このＣＦＡ材料は前に液晶表示（ＬＣＤ）技術で使用されたが、画像取込みで色フィルタとしては使用されていない。
【００３２】
図５は色フィルタ・プロセスの一実施形態を示す。フロー図は、ブロック３００から始まり、ブロック３１０へ進む。ブロック３１０で、着色されたＣＦＡ材料を回転塗布プロセスによって堆積する。一実施形態では、回転塗布は４０００ＲＰＭで約３０秒行われる。ブロック３１２で、ＣＦＡをソフト・ベーク段階に通し、そのソフト・ベーク段階で約９０℃で約１分間ベークする。ブロック３１４で、ＣＦＡを露光する。一実施形態では、５００Ｗ（Ｉ線）の水銀灯を使用する。
【００３３】
約１８０℃で約３分の露光後ベークをブロック３１６で行う。ブロック３１８で、ＣＦＡを現像する。一実施形態では、現像は、約２７℃で約一分間行われ、２０％の臨界寸法を達成する。それから、ブロック３２０で部品を水洗いし、次にブロック３２２で硬化させる。硬化は、約１８０℃で約３分間行われる。
【００３４】
一実施形態では、約７６重量パーセントのプロピレン・グリコール・モノメチル・エーテル・アセテート（ＰＧＭＥＡ）と約５重量パーセントのシクロヘキサノンの溶媒を使用して、回転塗布ステップ（ブロック３１０）でＣＦＡ材料を分散させ、さらに約０．１３重量パーセントと０．１４重量パーセントの間の水酸化テトラ・エチル・アンモニウムの現像液を現像ステップ（ブロック３１８）で使用する。
【００３５】
フロー図のステップは、異なる着色されたＣＦＡ材料ごとに繰り返す。例えば、一実施形態では、フロー図のステップは、赤、緑、それから青の着色されたＣＦＡ材料を塗布するように行われる。しかし、異なる色のＣＦＡ材料を塗布する様々な順序が使用されてもよい。さらに、他の色の顔料を使用してもよい。
【００３６】
一実施形態では、ＣＦＡ材料は、画像センサが見る人に満足できる品質の画像出力を供給することができるような範囲内にその色特性がある場合、一括リフロー後安定であると考えられている。例えば、ａ）画像センサの色特性は一括リフロー中に僅かに変化する可能性があるが、画像出力の変化は人の感覚よりもさらに小さい。または、ｂ）画像センサの色特性は一括リフロー中に変わるが、画像出力の変化は、見る人にとって満足できる画像を実現するように補償することができる。
【００３７】
ＣＦＡ安定性を定量的に測定することができる１つの方法は、色差ΔＥＬabを求めることである。一実施形態では、合格／不合格の閾値はΔＥＬabに基づいている。例えば、一括リフロー・プロセスに供されることで、ＣＦＡ材料の色差の変化がΔＥＬabで５よりも小さい場合にだけ、ＣＦＡ材料は実質的に安定であると考えることができる。もちろん、合格／不合格の閾値として、ΔＥＬabの他の値を実施することができる。
【００３８】
一実施形態では、一括リフロー・プロセス前後で、赤、緑および青のチャネルごとの平均の色を画像センサで測定する。よく知られているように、色差ΔＥＬabを測定する。例えば、色差ΔＥＬabは、Ｃｏｌｏｒ  Ｓｃｉｅｎｃｅ：Ｃｏｎｃｅｐｔｓ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄｓ，Ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ  Ｄａｔａ  ａｎｄ  Ｆｏｒｍｕｌａｅ，２nd  ｅｄｉｔｉｏｎ，Ｇｕｎｔｅｒ  Ｗｙｓｚｅｃｋｉ，Ｗ．Ｓ．Ｓｔｉｌｅｓ（Ｊｏｈｎ  Ｗｉｌｅｙ  ＆  Ｓｏｎｓ，１９８２）に説明されている。
【００３９】
また、共通の法人の譲受人に譲渡された、「Ｐａｓｓｉｖａｔｉｏｎ  Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ  Ｏｎ  Ｓｅｎｓｏｒ  Ｄｅｖｉｃｅｓ  Ｄｕｒｉｎｇ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ（電子組立て時のセンサ装置の不活性化保護）」と言う名称の同時継続米国特許出願第０８／９８６，５０１号に記述されているように、ＣＦＡ材料は引っ掻き傷保護層を形成するために使用される。一実施形態では、厚さ約６００ミクロンのＣＦＡ材料の赤顔料層と緑顔料層が、ダイの周辺に塗布されて、ダイ取扱い時の下の回路の引っ掻き傷保護を実現する。
【００４０】
撮像システム
図６は、一括リフロー・プロセスによって回路基板に取り付けられた画像センサを備える撮像システム４００を示す。画像センサ４１０は、カメラ、シリコンの眼、または他の画像装置の一部として使用される。一般に、画像センサは画像処理装置４２０およびメモリ４３０に電気的に結合されている。撮像システムは、また、ホスト・コンピュータ・システムまたは他の出力装置のような他のシステムと通信するための相互接続回路４４０も含む。また、撮像システムは、当技術分野でよく知られているように、画像センサ上に光を収束させるためのレンズ・システム（図示されない）も含む。
【００４１】
一括リフロー・プロセスによって画像センサを実装することができることで、コストが安くなり、製造プロセスが速められる。また、それによって、手作業半田付けよりも信頼性の高い接続が実現できる。
【００４２】
このようにして、一括リフロー・プロセスによって回路基板に取り付けることができる画像センサが開示された。ここに述べた特定の構成および方法は、本発明の原理をただ単に例示するに過ぎない。記述された本発明の範囲から逸脱することなしに、形態および細部の数多くの変更が行なわれる可能性がある。本発明は特定の実施形態に関連して示されたが、そのように限定されると考えるべきではない。むしろ、記述された発明は、添付の特許請求の範囲によってのみ限定される。
【００４３】
【表１】
0005201770.tif 000002
【００４４】
【表２】
0005201770.tif 000003
【００４５】
【表３】
0005201770.tif 000004
【図面の簡単な説明】
【図１】  本出願人によって変更された窓付きＱＦＰパッケージ１０の断面ブロック図である。
【図２】  セラミック枠およびガラス窓を含んだパッケージ蓋の一実施形態の概略図である。
【図３】  ＩＣパッケージ全体の一実施形態の概略図である。
【図４】  窓付き非セラミック・パッケージにダイを取り付ける際に行われるプロセスの一実施形態を示す図である。
【図５】  色フィルタ・プロセスの一実施形態を示す図である。
【図６】  一括リフロー・プロセスによって回路基板に取り付けられた画像センサを含む撮像システムの図である。
【図１】
0005201770.tif 000005
【図２】
0005201770.tif 000006
【図３】
0005201770.tif 000007
【図４】
0005201770.tif 000008
【図５】
0005201770.tif 000009
【図６】
0005201770.tif 000010