JP4601331B2

JP4601331B2 - 撮像装置および撮像モジュール

Info

Publication number: JP4601331B2
Application number: JP2004158451A
Authority: JP
Inventors: 定加治佐; 執蔵中島; 恭二植村
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2004-05-27
Filing date: 2004-05-27
Publication date: 2010-12-22
Anticipated expiration: 2024-05-27
Also published as: JP2005340539A

Description

本発明は、ＣＣＤ型，ＣＭＯＳ型等の撮像素子を用いた、光学センサ等に適用される撮像装置および撮像モジュールに関する。

従来、ＣＣＤ型，ＣＭＯＳ型等の撮像素子を収納するための撮像装置としては、セラミック製のものが知られている。近年の携帯性を重視した電子機器では、その市場において小型化や薄型化が要求されることから、これらの要求に充分に応えるべく、例えば図６に示すような断面形状を有し、配線板１２、撮像素子１３およびシール材１４によって主に構成された撮像装置１１が提案されている。

配線板１２はセラミックスや樹脂などから成り、薄い平板として成形され、その下面に配線エリア１５が形成されている。配線板１２には、光を通過させる開口１２ａが形成されるとともに、配線板１２の下面に枠状の基台１８が設けられている。基台１８は配線板１２の下面に対してほぼ直交する向きで接合されており、基台１８の下端部には外部接続用の端子１９が形成されている。そして、この基台１８によって配線板１２が外部回路基板上に支持固定される。

また、配線板１２の下面に、開口１２ａに受光部１３ａが対向するように撮像素子１３が配置される。なお、撮像素子１３はシリコンの基板の上面の中央部にＣＣＤ型，ＣＭＯＳ型の受光部１３ａが形成されたチップであり、撮像素子１３の上面の外周部には電極パッドが形成されている。

また、電極パッド上には金等から成る突起電極（導体バンプ）１７が形成されている。その突起電極１７は、配線エリア１５にフリップチップ接合され、この接合部の周囲には、接合を補強するとともに封止を行なう樹脂からなる封止樹脂層であるダム１７ａが塗布形成されている。また、突起電極１７は配線エリア１５に接続されて配線板１２および基台１８の内部に形成された配線導体（図示せず）を介して端子１９に導出されている。

また、配線板１２上面には、開口１２ａを塞ぐようにガラス等から成る透明なシール材１４が樹脂接着剤等によって接着されている（例えば、下記の特許文献１参照）。

このようなセラミックス製の撮像装置１１において、配線板１２および基台１８は、セラミックグリーンシート（以下、グリーンシートともいう）積層法により製作される。具体的には、セラミックスから成る配線板１２用のグリーンシートと、セラミックスから成る基台１８用のグリーンシートとを準備し、これらのグリーンシートに配線板１２の配線エリア１５から端子１９に配線導体を導出させるための貫通孔や光を通過させる開口１２ａをグリーンシートの上下面に垂直に打ち抜く。

次に、配線板１２の配線エリア１５、基台１８の端子１９、および配線板１２や基台１８の内部に形成されて端子１９に導出される配線導体用として、タングステン（Ｗ）やモリブデン（Ｍｏ）などの高融点金属粉末から成る金属ペーストを従来周知のスクリーン印刷法等により塗布する。そして、配線板１２用のグリーンシートと基台１８用のグリーンシートとを上下に重ねて接合し、これらを高温で焼成して焼結体と成す。

その後、配線エリア１５および配線導体が導出される端子１９の露出表面に、ニッケル（Ｎｉ）や金（Ａｕ）等の金属から成るめっき金属層を無電解めっき法や電解めっき法により被着させている。

図７は、図６の撮像装置１１をモジュール化してなる光学センサ装置の断面図である。撮像装置１１においては、配線板１２の下面に枠状の基台１８が設けられ、基台１８の下端部に外部接続用の端子１９が設けられており、端子１９を外部回路基板１６の配線導体等に接続し、半田によりその接続がなされるとともに補強される。また、撮像装置１１における配線板１２の上面でシール材１４よりも外周側の外周部に、レンズ鏡筒２０が接着固定されている。

そして、外部よりモジュールに入射する光は、レンズ鏡筒２０の窓２１からレンズ２２を通って、透明なシール材１４を通過する。シール材１４を通過した光は、配線板１２に形成された開口１２ａを通り、撮像素子１３の受光部１３ａに入射する。撮像素子１３の受光部１３ａで受光された光は電気信号に変換され、突起電極１７を介して配線板１２へ伝送される。配線板１２へ伝送された電気信号は、配線板１２および基台１８の内部の配線導体を通り、基台１８の端子１９を介して撮像装置１１の外部へ出力される。（例えば、下記の特許文献１参照）。なお、撮像素子１３が平面視で四角形の場合、その２辺のみに沿って基台１８が設けられている場合もある。
特開2002−299592号公報

しかしながら、上記特許文献１の撮像装置１１は、配線板１２の厚みが撮像装置１１毎にばらつきやすく、そのような厚みばらつきの大きな配線板１２の下面に撮像素子１３が配置され、配線板１２の上面の外周部にレンズ２２が取着されたレンズ鏡筒２０が接着固定されるため、配線板１２の厚みばらつきが原因となってレンズ２２と撮像素子１３の受光部１３ａとの距離を一定にすることが非常に困難となり、合焦性能が低下してレンズ２２を透過した光を受光部１３ａに精度よく入射させることができないという問題点があった。

また、配線板１２の厚みのばらつきを小さくするため、配線板１２の厚みを小さくすると、配線板１２の機械的強度が弱くなり、撮像素子１３の搭載や搬送などの工程において配線基板１２に割れや欠けが発生してしまうという問題点を有していた。

従って、本発明は上記従来の問題点に鑑み完成されたものであり、その目的は、被写体を撮影する際に、レンズと撮像素子の受光部との間の合焦性能を高くすることでレンズを透過した光が撮像素子で正確に電気信号に変換され、鮮明な画像として取り出せる撮像装置および撮像モジュールを提供することにある。

本発明の撮像装置は、上面と下面とに開口する第一の貫通孔を有する下部基板、および上面と下面とに開口する第二の貫通孔を有するとともに前記下部基板の上面に配設された上部基板を備え、前記第一の貫通孔の内側面および前記上部基板の下面によって撮像素子を収容するための凹部が形成されているとともに、前記第二の貫通孔が前記凹部の底面に開口する絶縁基板と、前記凹部の底面の前記第二の貫通孔の開口の周囲から前記絶縁基板
の下面に導出された配線導体と、前記第二の貫通孔に受光部が対向する状態で、前記凹部の底面の前記第二の貫通孔の周囲において電極が前記配線導体に電気的に接続された撮像素子と、前記絶縁基板の上面に前記第二の貫通孔の開口を覆って取着された窓部材とを具備しており、前記絶縁基板の側面において、前記下部基板が前記上部基板よりも側方に突出している、レンズ固定部材を固定するための鍔部が形成されていることを特徴とする。

本発明の撮像装置は、好ましくは、前記鍔部の上面と前記凹部の底面とが同一平面上にあることを特徴とする。

本発明の撮像装置は、好ましくは、前記絶縁基板は、その上面と側面との間の角部が面取りされていることを特徴とする。

本発明の撮像モジュールは、本発明の撮像装置と、前記鍔部の上面に下端が接合され、上端面の中央部に貫通穴が形成されているとともに下端が開かれた筒状とされているレンズ固定部材と、該レンズ固定部材に前記貫通穴の開口を塞ぐように取着されたレンズとを具備していることを特徴とする。

本発明の撮像装置によれば、上面と下面とに開口する第一の貫通孔を有する下部基板、および上面と下面とに開口する第二の貫通孔を有するとともに下部基板の上面に配設された上部基板を備え、第一の貫通孔の内側面および上部基板の下面によって撮像素子を収容するための凹部が形成されているとともに、第二の貫通孔が凹部の底面に開口する絶縁基板と、凹部の底面の第二の貫通孔の開口の周囲から絶縁基板の下面に導出された配線導体と、第二の貫通孔に受光部が対向する状態で、凹部の底面の第二の貫通孔の周囲において電極が配線導体に電気的に接続された撮像素子と、絶縁基板の上面に第二の貫通孔の開口を覆って取着された窓部材とを具備しており、絶縁基板の側面において、下部基板が上部基板よりも側方に突出している、レンズ固定部材を固定するための鍔部が形成されていることから、撮像装置にレンズを備えたレンズ固定部材を接着固定して撮像モジュールとした際に、レンズ固定部材を鍔部の上面に接着固定させることで、絶縁基板の厚みを小さくすることなくレンズ固定部材に固定されたレンズと撮像素子との高さ方向の位置精度をきわめて高くすることができる。

すなわち、レンズ固定部材と撮像素子との位置精度は、レンズ固定部材が接着固定される鍔部の上面が位置する平面と、撮像素子が取着される凹部の底面が位置する平面との間の厚みばらつきだけに依存することとなり、絶縁基板の全体の厚みばらつきが生じたとしても、本発明の構成では、上記鍔部の上面が位置する平面と凹部の底面が位置する平面との間の厚みを無くすか、または非常に薄くしてばらつきを非常に小さくすることができ、鍔部の上面と凹部の底面との高さ方向の位置精度を非常に向上させることができる。その結果、レンズ固定部材に取着されたレンズと撮像素子の受光部との間の焦点距離のばらつきが小さくなり、レンズを透過した光を受光部に精度よく入射させることができるとともに、絶縁基板の機械的強度を維持することができる。

本発明の撮像装置は、好ましくは、鍔部の上面と凹部の底面とが同一平面上にあることから、撮像装置をレンズを備えた撮像モジュールとした際に、鍔部の上面と凹部の底面との間の厚みのばらつきがなくなることから、レンズと撮像素子の受光部との間の合焦性能を高いものとすることができる。

本発明の撮像装置は、好ましくは、絶縁基板は、その上面と側面との間の角部が面取りされていることから、レンズ固定部材の接着固定、撮像素子の搭載、および搬送などにおける外部からの外力によって、絶縁基板の上面と側面との間の角部に割れや欠けが発生するのを有効に防止できるため、この割れや欠けによる破片によりレンズを透過する光が遮ぎられるのを防ぐことができる。

本発明の撮像モジュールは、本発明の撮像装置と、前記鍔部の上面に下端が接合され、上端面の中央部に貫通穴が形成されているとともに下端が開かれた筒状とされているレンズ固定部材と、該レンズ固定部材に前記貫通穴の開口を塞ぐように取着されたレンズとを具備していることから、機械的強度を大きくして、撮像素子の受光部に光を精度よく入射させて結像させ、撮像素子で正確に電気信号に変換して鮮明な画像を取り出すことができる。

本発明の撮像装置を以下に詳細に説明する。図１は本発明の撮像装置について実施の形態の一例を示す断面図であり、同図において、２は絶縁基板、２ａは貫通孔、３は撮像素子、４は窓部材、５は配線導体であり、これらで撮像装置１が主に構成されている。

本発明の絶縁基板２は、酸化アルミニウム質焼結体（アルミナセラミックス），窒化アルミニウム質焼結体等のセラミックスから成り、薄い平板として成型され、その表面および内部に、ＷやＭｏ等の金属粉末メタライズから成り、撮像素子３の電気信号を伝送する機能を有する配線導体５が形成されており、中央部には光を通過させる貫通孔２ａが形成され、貫通孔２ａの下側には、受光部３ａを貫通孔２ａに対向させるとともに電極が導体バンプ等の電気接続手段７を介して配線導体５に電気的に接続された撮像素子３が収容される凹部２ｂが形成されている。また、絶縁基板２の上側には撮像素子３の受光部３ａを保護するための窓部材４が樹脂接着剤等で取着されている。

絶縁基板２は、例えば酸化アルミニウム質焼結体から成る場合、酸化アルミニウム，酸化珪素，酸化マグネシウム，酸化カルシウム等の原料粉末に適当な有機バインダー，溶剤等を添加混合して泥漿状となし、これを従来周知のドクターブレード法やカレンダーロール法等によりシート状に成形してグリーンシート（セラミック生シート）を得る。次に、グリーンシートに配線導体５形成用の貫通孔や光を通過させるための貫通孔２ａ、撮像素子３を収容するための凹部２ｂ、および鍔部２ｃの上方の絶縁基板２の外周側面となる部位を打ち抜き加工で形成するとともに、配線導体５となる金属ペーストを所定パターンに印刷塗布する。しかる後、これらのグリーンシートを積層し切断して絶縁基板２用のグリーンシートの成形体を得、最後にこの成形体を高温（約１６００℃）で焼結させることによって製作される。

絶縁基板２に被着形成されている配線導体５は、撮像素子３の電気信号を外部回路基板６の配線導体に伝送させる導電路として機能し、例えばＷやＭｏ等の高融点金属粉末に適当な有機溶剤，溶媒を添加混合して得た金属ペーストを、絶縁基板２となるグリーンシートに予めスクリーン印刷法により所定パターンに印刷塗布しておき、絶縁基板２となるグリーンシートと同時焼成することによって、絶縁基板２の所定位置に被着形成される。

なお、配線導体５の露出する表面にニッケルや金等の耐蝕性に優れる金属を１〜２０μｍ程度の厚みに被着させておくと、配線導体５が酸化腐蝕するのを有効に防止できるとともに、配線導体５と撮像素子３の電極７との接合および外部回路基板６の配線導体との接合を強固なものとすることができる。したがって、配線導体５の露出表面には、厚み１〜１０μｍ程度のニッケルめっき層と厚み０．１〜３μｍ程度の金メッキ層とが電解めっき法や無電解めっき法により順次被着されているのが好ましい。

絶縁基板２の下面には、撮像素子３を収容するための凹部２ｂが形成されているとともに、上面と凹部２ｂの底面との間に貫通孔２ａが形成されており、この貫通孔２ａに受光部３ａが対向する状態で、凹部２ｂの底面の貫通孔２ａの周囲の配線導体５に電極７が電気的に接続されるように撮像素子３が収容されている。

なお、撮像素子３は、電極７が絶縁基板２のニッケルや金などでメッキ処理された配線導体５に、例えば超音波接合法によりフリップチップ接合される。超音波接合法によるフリップチップ接合は、室温で接合部を加圧しつつ０．５秒前後の超音波振動を接合部に加えることにより接合させる接合法である。撮像素子３の接合部の周囲には、接合を補強するとともに封止を行なう樹脂から成る封止樹脂層であるダム７ａが塗布形成してある。このダム７ａは、エポキシ系樹脂等の樹脂の粘度を大きくしたものであり、樹脂の形状維持の強さの指標であるチキソ比も１．７以上と大きいのがよい。

また、撮像素子３は、シリコンの基板上にＣＣＤ型，ＣＭＯＳ型の受光部３ａが形成されており、撮像素子３の外周部には金などの電極が形成され、電極が導体バンプ等の電気接続手段７を介して配線導体５に接続されており、撮像素子３は、配線導体５を介して外部回路基板６の配線導体に電気的に接続されることとなる。

なお、撮像素子３は、凹部２ｂの底面にエポキシ樹脂系や半田等の接合部材にて接合され、撮像素子３の電極がボンディングワイヤなどを介して配線導体５に電気的に接続されていてもよい。

また、本発明において、絶縁基板２は、その側面の下端部に鍔部２ｃが形成されている。そして、そのことが重要である。このように、絶縁基板２は、その側面の下端部に鍔部２ｃが形成されていることから、図５の撮像装置１にレンズ９を備えた本発明の撮像モジュール１０とした際に、レンズ固定部材８を鍔部２ｃの上面に接着固定させることで、絶縁基板２の厚みを小さくすることなく鍔部２ｃの上面と撮像素子３が取着される凹部２ｂの底面との間の厚みを小さくして、その厚みばらつきを小さくすることができるため、レンズ固定部材８に取着されたレンズ９と撮像素子３の受光部３ａとの間の焦点距離のばらつきが小さくなり、レンズ９を透過した光を受光部３ａに精度よく入射させることができるとともに、絶縁基板２の機械的強度を維持することができる。

絶縁基板２をグリーンシート積層法で作製する場合、鍔部２ｃを有する絶縁基板２の下部と凹部２ｂの底面と成る絶縁基板２の上部とを、間にグリーンシートを挟んで積層することにより本発明の絶縁基板２を形成できる。そして、この絶縁基板２の上部と下部との間に挟まれるグリーンシートを薄くすることにより、この間に挟まれるグリーンシートの厚みばらつきが小さくなる。よって、絶縁基板２の下部に設けられた鍔部２ｃの上面の高さ位置、および絶縁基板２の上部の凹部２ｂの底面の高さ位置のばらつきが小さくなって、鍔部２ｃの上面と凹部２ｂの底面の高さ方向の位置精度がきわめて高くなる。

好ましくは、鍔部２ｃを有する絶縁基板２の下部と凹部２ｂの底面と成る絶縁基板２の上部とを、間にグリーンシートを挟まずに直接積層するのがよい。これにより、鍔部２ｃの上面と凹部２ｂの底面とが同一平面上にあることとなり、鍔部２ｃの上面と凹部２ｂの底面との高さが同じになるので高さ方向の位置のばらつきがなくなり、鍔部２ｃの上面に接着固定されるレンズ固定部材８と凹部２ｂの底面に取着される撮像素子３との位置精度をきわめて良好にすることができる。

また、鍔部２ｃは、撮像素子３が平面視で四角形の場合、図２に絶縁基板２の平面図で示すように絶縁基板２の４辺の側面の下端部に全周にわたって設けられており、レンズ固定部材８の接着強度を大きくできるとともに、撮像モジュール１０の外部からの浮遊物の侵入を阻止することができる。

また、図３の絶縁基板２の平面図で示すように、鍔部２ｃは、絶縁基板２の２辺のみに沿って設けられていても良い。この場合、撮像モジュール１０を小型化することが可能となる。

また、鍔部２ｃは、絶縁基板２の側面より突出する幅が０．５〜２．０ｍｍであることが好ましい。０．５ｍｍ未満の場合、鍔部２ｃの上面にレンズ固定部材８を接着固定する範囲が狭くなり、接着強度が小さくなる。他方、２．０ｍｍを超えると撮像装置１が大型化しやすくなる。

絶縁基板２の上面には、ガラスやサファイア等から成る透明な窓部材４がエポキシ樹脂等の樹脂接着剤によって配置接合され撮像素子３の受光部３ａを保護している。

次に参考例の撮像装置について説明する。図４は参考例の撮像装置の断面図（図１と同部位については同符号とする）である。この撮像装置１’は、上面に撮像素子３を収容するための凹部２ｂが形成されている絶縁基板２と、凹部２ｂの底面から絶縁基板２の下面に導出された配線導体５と、凹部２ｂの底面に受光部３ａを上側に向けて設置されるとともに電極が配線導体５に電気的に接続された撮像素子３と、絶縁基板２の上面に凹部２ｂを覆って取着された窓部材４とを具備しており、絶縁基板２は、その側面の下端部に鍔部２ｃが形成されている。このような場合でも、撮像装置１’をレンズ９を備えた撮像モジュール１０とした際に、レンズ固定部材８を鍔部２ｃの上面に接着固定させることで、絶縁基板２の厚みを小さくすることなく鍔部２ｃの上面と撮像素子３が取着される凹部２ｂの底面との間の厚みを小さくして、その厚みばらつきを小さくすることができるため、レンズ固定部材８に取着されたレンズ９と撮像素子３の受光部３ａとの間の焦点距離のばらつきが小さくなりレンズ９を透過した光を受光部３ａに精度よく入射させることができるとともに、絶縁基板２の機械的強度を維持することができる。

参考例の撮像装置１’も本発明の撮像装置１と同様の材料、方法で作製することができるので詳細な説明は省略する。

本発明および参考例において、撮像装置１，１’は、鍔部２ｃの上面と凹部２ｂの底面とが同一面上にあることが好ましい。これにより、撮像装置１，１’をレンズ９を備えた撮像モジュール１０とした際に、鍔部２ｃの上面と凹部２ｂの底面との間の厚みのばらつ
きがなくなることから、レンズ９と撮像素子３の受光部３ａとの間の合焦性能を高いものとすることができる。

なお、鍔部２ｃの上面および凹部２ｂの底面は、平坦度が５〜５０μｍであることが好ましい。５μｍ未満では、製造工程が煩雑となり製作が難しくなる。他方５０μｍを超えると、レンズ９と受光部３ａとの間の合焦性能が低下しやすくなる。

また、本発明および参考例において、撮像装置１，１’は、絶縁基板２は、その上面と側面との間の角部が面取りされていることが好ましい。これにより、レンズ固定部材８の接着固定、撮像素子３の搭載、および搬送などにおける外部からの外力によって絶縁基板２の上面と側面との間の角部に割れや欠けが発生するのを有効に防止できるため、この割れや欠けによる破片によりレンズ９を透過する光が遮ぎられるのを防ぐことができる。なお、図１〜４において、この面取りされた部位を面取り部２ｄとして示している。

なお、絶縁基板２の上面と側面との間の角部の面取り部２ｄは、上述の絶縁基板２となるグリーンシートを積層して切断して成形体を得た後、角部を斜めに切断、角部を押し型で成形、または切断の際に面取り用の押し型が設けられた切断刃にて切断しながら角部を面取りする等の方法で形成されている。

また、絶縁基板２の側面と面取り部２ｄの斜面との成す角度θは、１５〜４５度が好ましい。角度θが１５度未満の場合、平面視で面取り部２ｄが小さくなるとともに、絶縁基板２側面側から外形寸法を小さくするような外力が加わり、絶縁基板２の外形寸法がばらつく。他方、４５度を超えると、平面視で面取り部２ｄが大きくなり絶縁基板２を大型化しやすくなるとともに、絶縁基板２の上面側から外力が加わり、絶縁基板２に変形や反りが発生しやすくなる。

なお、絶縁基板２の上面と側面との角部の面取り部２ｄは、凸側に弧形状と成っていても構わない。

かくして、本発明および参考例の撮像装置１，１’と、鍔部２ｃの上面に下端が接合され、上端面の中央部に貫通穴２ａが形成されているとともに下端が開かれた筒状とされているレンズ固定部材８と、このレンズ固定部材８に貫通穴８ａの開口を塞ぐように取着されたレンズ９とを具備することにより、図５の断面図に示すような本発明の撮像モジュール１０となる。この構成により、機械的強度を大きくして、撮像素子３の受光部３ａに光を精度よく入射させて結像させ、撮像素子３で正確に電気信号に変換して鮮明な画像を取り出すことができる。

なお、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更を施すことは何等差し支えない。

本発明の撮像装置について実施の形態の一例を示す断面図である。図１の撮像装置における絶縁基板の平面図である。図１の撮像装置における絶縁基板の他の例を示す平面図である。参考例の撮像装置について実施の形態の一例を示す断面図である。本発明の撮像モジュールについて実施の形態の一例を示す断面図である。従来の撮像装置の断面図である。従来の光学センサ装置の断面図である。

符号の説明

１，１’：撮像装置
２：絶縁基板
２ａ：貫通孔
２ｂ：凹部
２ｃ：面取り部
３：撮像素子
３ａ：受光部
４：窓部材
５：配線導体
８：レンズ固定部材
９：レンズ
１０：撮像モジュール

Claims

上面と下面とに開口する第一の貫通孔を有する下部基板、および上面と下面とに開口する第二の貫通孔を有するとともに前記下部基板の上面に配設された上部基板を備え、前記第一の貫通孔の内側面および前記上部基板の下面によって撮像素子を収容するための凹部が形成されているとともに、前記第二の貫通孔が前記凹部の底面に開口する絶縁基板と、前記凹部の底面の前記第二の貫通孔の開口の周囲から前記絶縁基板の下面に導出された配線導体と、前記第二の貫通孔に受光部が対向する状態で、前記凹部の底面の前記第二の貫通孔の周囲において電極が前記配線導体に電気的に接続された撮像素子と、前記絶縁基板の上面に前記第二の貫通孔の開口を覆って取着された窓部材とを具備しており、前記絶縁基板の側面において、前記下部基板が前記上部基板よりも側方に突出している、レンズ固定部材を固定するための鍔部が形成されていることを特徴とする撮像装置。
前記鍔部の上面と前記凹部の底面とが同一平面上にあることを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
前記絶縁基板は、その上面と側面との間の角部が面取りされていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の撮像装置。
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の撮像装置と、前記鍔部の上面に下端が接合され、上端面の中央部に貫通穴が形成されているとともに下端が開かれた筒状とされているレンズ固定部材と、該レンズ固定部材に前記貫通穴の開口を塞ぐように取着されたレンズとを具備していることを特徴とする撮像モジュール。