JP6486584B2 - 撮像ユニット、および内視鏡 - Google Patents

Description

本発明は、被検体内に挿入される内視鏡の挿入部の先端に設けられて被検体内を撮像する撮像ユニットおよび内視鏡に関する。

従来、医療分野および工業分野において、各種検査のために内視鏡装置が広く用いられている。このうち、医療用の内視鏡装置は、患者等の被検体の体腔内に、先端に撮像素子が設けられた細長形状をなす可撓性の挿入部を挿入することによって、被検体を切開せずとも体腔内の体内画像を取得でき、さらに、必要に応じて挿入部先端から処置具を突出させて治療処置を行うことができるため、広く用いられている。

このような内視鏡装置の挿入部先端には、撮像素子と、該撮像素子の駆動回路を構成するコンデンサやＩＣチップ等の電子部品が実装された回路基板を含む撮像ユニットが嵌め込まれている。

近年、撮像素子を基板の表面側に実装するとともに、電子部品を周壁を設けた裏面側に実装し、周壁で囲われた電子部品の周囲を封止樹脂で封止してパッケージ化することにより、電子部品の接続信頼性の向上および小型化可能な撮像装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許第３４１７２２５号公報

特許文献１では、周壁で囲われた電子部品の周囲を封止樹脂で封止することにより、電子部品の信頼性を向上しているが、撮像装置のさらなる小型化のために、周壁の高さや電子部品の高さが低くなると、封止樹脂の周壁外へのはみ出しが発生しやすく、これにより撮像装置が太径化してしまう。また、封止樹脂がはみ出さないように封止樹脂の充填量を小さくすると、接続信頼性が低下する。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、細径化を図りながら、接続信頼性に優れる撮像ユニット、および内視鏡を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる撮像ユニットは、光学系から入射された光を受光して光電変換を行うことにより電気信号を生成する撮像素子を有し、裏面に接続電極が形成された半導体パッケージと、複数の電子部品と、矩形板状をなし、表面に前記撮像素子が実装される第１の電極が形成されるとともに、裏面に複数の前記電子部品が実装される第２の電極が形成された凹部を有する回路基板と、前記凹部内に実装される前記複数の電子部品の周囲に充填されている封止樹脂と、を備え、前記凹部の対向する少なくとも２つの壁面に段差部を有し、前記電子部品および前記封止樹脂は、前記凹部から前記回路基板の裏面側に突出しないことを特徴とする。

また、本発明にかかる撮像ユニットは、上記発明において、前記段差部は、前記凹部のすべての壁面に形成されていることを特徴とする。

また、本発明にかかる撮像ユニットは、上記発明において、前記封止樹脂は、前記凹部の底面からの最大高さが前記段差部の高さ以上まで充填されていることを特徴とする。

また、本発明にかかる撮像ユニットは、上記発明において、前記封止樹脂は、前記段差部の角部から前記凹部の開口部側に球面をなすように充填されていることを特徴とする。

また、本発明にかかる撮像ユニットは、上記発明において、前記段差部の高さは、前記複数の電子部品の実装高さの６０〜１４０％であることを特徴とする。

また、本発明にかかる撮像ユニットは、上記発明において、前記段差部の高さは、前記凹部の高さの５０〜９０％であることを特徴とする。

また、本発明にかかる内視鏡は、上記のいずれか一つに記載の撮像ユニットが先端に設けられた挿入部を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、積層基板の裏面に形成された凹部の対向する壁面に段差部を設けることにより、凹部内に充填する封止樹脂の充填量の制御を容易にするとともに、凹部外に漏れ出すことなく必要量受転できるので、小型化を保持しながら、接続信頼性に優れる撮像ユニット、および内視鏡を得ることができる。

図１は、本発明の実施の形態にかかる内視鏡システムの全体構成を模式的に示す図である。 図２は、図１に示す内視鏡先端部に配置される撮像ユニットの斜視図である。 図３は、図２に示す撮像ユニットの底面図である。 図４は、図３のＡ−Ａ線断面図である。 図５は、従来技術の凹部内の封止樹脂の充填を示す断面図である。 図６は、従来技術の凹部内の封止樹脂の充填を示す断面図である。 図７は、本発明の実施の形態の変形例１に係る凹部内の封止樹脂の充填を示す断面図である。 図８は、本発明の実施の形態の変形例２に係る凹部内の封止樹脂の充填を示す断面図である。 図９は、本発明の実施の形態の変形例３に係る凹部内の封止樹脂の充填を示す断面図である。 図１０は、本発明の実施の形態の変形例４に係る凹部内の封止樹脂の充填を示す断面図である。 図１１は、本発明の実施の形態の変形例５に係る回路基板の底面図である。 図１２は、従来の回路基板の凹部周辺の断面図である。 図１３は、本発明の実施の形態の変形例６に係る回路基板の凹部の底面図である。 図１４は、図１３の断面図である。

以下の説明では、本発明を実施するための形態（以下、「実施の形態」という）として、撮像ユニットを備えた内視鏡システムについて説明する。また、この実施の形態により、この発明が限定されるものではない。さらに、図面の記載において、同一部分には同一の符号を付している。さらにまた、図面は、模式的なものであり、各部材の厚みと幅との関係、各部材の比率等は、現実と異なることに留意する必要がある。また、図面の相互間においても、互いの寸法や比率が異なる部分が含まれている。

（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態にかかる内視鏡システムの全体構成を模式的に示す図である。図１に示すように、本実施の形態にかかる内視鏡システム１は、被検体内に導入され、被検体の体内を撮像して被検体内の画像信号を生成する内視鏡２と、内視鏡２が撮像した画像信号に所定の画像処理を施すとともに内視鏡システム１の各部を制御する情報処理装置３と、内視鏡２の照明光を生成する光源装置４と、情報処理装置３による画像処理後の画像信号を画像表示する表示装置５と、を備える。

内視鏡２は、被検体内に挿入される挿入部６と、挿入部６の基端部側であって術者が把持する操作部７と、操作部７より延伸する可撓性のユニバーサルコード８と、を備える。

挿入部６は、照明ファイバ（ライトガイドケーブル）、電気ケーブルおよび光ファイバ等を用いて実現される。挿入部６は、後述する撮像ユニットを内蔵した先端部６ａと、複数の湾曲駒によって構成された湾曲自在な湾曲部６ｂと、湾曲部６ｂの基端部側に設けられた可撓性を有する可撓管部６ｃと、を有する。先端部６ａには、照明レンズを介して被検体内を照明する照明部、被検体内を撮像する観察部、処置具用チャンネルを連通する開口部および送気・送水用ノズル（図示せず）が設けられている。

操作部７は、湾曲部６ｂを上下方向および左右方向に湾曲させる湾曲ノブ７ａと、被検体の体腔内に生体鉗子、レーザメス等の処置具が挿入される処置具挿入部７ｂと、情報処理装置３、光源装置４、送気装置、送水装置および送ガス装置等の周辺機器の操作を行う複数のスイッチ部７ｃと、を有する。処置具挿入部７ｂから挿入された処置具は、内部に設けられた処置具用チャンネルを経て挿入部６先端の開口部から表出する。

ユニバーサルコード８は、照明ファイバ、ケーブル等を用いて構成される。ユニバーサルコード８は、基端で分岐しており、分岐した一方の端部がコネクタ８ａであり、他方の基端がコネクタ８ｂである。コネクタ８ａは、情報処理装置３のコネクタに対して着脱自在である。コネクタ８ｂは、光源装置４に対して着脱自在である。ユニバーサルコード８は、光源装置４から出射された照明光を、コネクタ８ｂ、および照明ファイバを介して先端部６ａに伝播する。また、ユニバーサルコード８は、後述する撮像ユニットが撮像した画像信号を、ケーブルおよびコネクタ８ａを介して情報処理装置３に伝送する。

情報処理装置３は、コネクタ８ａから出力される画像信号に所定の画像処理を施すとともに、内視鏡システム１全体を制御する。

光源装置４は、光を発する光源や、集光レンズ等を用いて構成される。光源装置４は、情報処理装置３の制御のもと、光源から光を発し、コネクタ８ｂおよびユニバーサルコード８の照明ファイバを介して接続された内視鏡２へ、被写体である被検体内に対する照明光として供給する。

表示装置５は、液晶または有機ＥＬ（Electro Luminescence）を用いた表示ディスプレイ等を用いて構成される。表示装置５は、映像ケーブル５ａを介して情報処理装置３によって所定の画像処理が施された画像を含む各種情報を表示する。これにより、術者は、表示装置５が表示する画像（体内画像）を見ながら内視鏡２を操作することにより、被検体内の所望の位置の観察および性状を判定することができる。

次に、内視鏡システム１で使用する撮像ユニット１０について詳細に説明する。図２は、図１に示す内視鏡２の先端部に配置される撮像ユニット１０の斜視図である。図３は、図２に示す撮像ユニット１０の底面図である。図４は、図３のＡ−Ａ線断面図である。なお、図２および図３において、本発明の理解のために、凹部３２内に充填する封止樹脂６０の図示を省略している。また、図４において、プリズム４０の図示を省略している。

撮像ユニット１０は、入射光を集光し反射するプリズム４０と、プリズム４０から入射された光を受光して光電変換を行うことにより電気信号を生成する撮像素子２１を有し、裏面ｆ４に接続電極が形成された半導体パッケージ２０と、複数の電子部品５０と、矩形板状をなし、表面ｆ５に撮像素子２１が実装される図示しない第１の電極が形成されるとともに、裏面ｆ６に電子部品５０が実装される第２の電極３５が形成された凹部３２を有する回路基板３０と、凹部３２内に実装される電子部品５０の周囲に充填される封止樹脂６０と、を備える。

半導体パッケージ２０は、ガラス２２が撮像素子２１に貼り付けられた構造となっている。プリズム４０のｆ１面から入射し、ｆ２面で反射された光はガラス２２を介して、受光部を備える撮像素子２１のｆ０面（受光面）に入射する。撮像素子２１の裏面ｆ４には図示しない接続電極、および、はんだ等からなるバンプ２３が形成されている。半導体パッケージ２０は、ウエハ状態の撮像素子チップに、配線、電極形成、樹脂封止、およびダイシングをして、最終的に撮像素子チップの大きさがそのまま半導体パッケージの大きさとなるＣＳＰ（Chip Size Package）であることが好ましい。また、半導体パッケージ２０は、撮像素子２１の受光面であるｆ０面が水平に載置される、いわゆる横置き型である。

回路基板３０の表面ｆ５には、突起部３１が形成され、突起部３１の上面および突起部３１より基端側（撮像素子２１が接続される側と突起部３１を挟んで反対側）に、図示しないケーブルを接続するケーブル接続電極が形成されている。

回路基板３０は、セラミックス基板、ガラエポ基板、ガラス基板、シリコン基板等が用いられる。半導体パッケージ２０との接続の信頼性を向上する観点から、半導体パッケージ２０の材料と熱膨張率が同程度の材料から形成されるもの、例えば、シリコン基板やセラミック基板が好ましい。

回路基板３０の裏面ｆ６には、撮像素子２１が実装される図示しない第１の電極が形成される側に電子部品５０が実装される第２の電極３５が形成された凹部３２を有し、基端側には検査端子３４が形成されている。凹部３２の４つの壁面には、段差部３３が形成されている。

段差部３３の凹部３２の底面からの高さｈ３は、使用する電子部品５０に応じて適宜決定することができるが、好ましくは、電子部品５０の実装高さ、すなわち、電子部品５０を第２の電極３５に実装した際の凹部３２の底面からの高さｈ２の６０％〜１４０％とすることが好ましく、電子部品５０の実装高さｈ２と同一とすることが好適である。また、段差部３３の高さｈ３は、凹部３２の高さｈ１の５０％〜９０％であることが好ましい。段差部３３の高さｈ３を上記の範囲とすることにより、凹部３２から封止樹脂６０をはみ出すことなく、電子部品５０の上面まで封止樹脂６０で封止することができる。

凹部３２内に段差部３３を設けることにより、凹部３２内に封止樹脂６０を充填する際のマーカとすることができる。通常、カメラ等により視認しながら封止樹脂６０を凹部３２に充填しているが、段差部３３をマーカとして充填を行うことにより充填量の制御が容易となる。図５および図６は、従来技術の凹部３２内の封止樹脂６０の充填を示す断面図である。凹部３２内により多くの封止樹脂６０を充填して電子部品５０を封止しようとする場合、図５に示すように、封止樹脂６０の最大高さｈ４が凹部３２の高さｈ１以上となってしまう場合があり、また、封止樹脂６０が凹部３２からはみ出さないように充填する場合、図６に示すように、充填量が少なくなってしまう。本実施の形態では、段差部３３をマーカとして封止樹脂６０の充填を行うため、充填作業が容易となる。また、封止樹脂６０が段差部３３の高さｈ３を超えて充填された場合にも、図４に示すように、表面張力により封止樹脂６０が段差部３３の角部から凹部３２の開口部側に球面をなすように充填されるため、封止樹脂６０が凹部３２からはみ出すことなく（凹部３２から回路基板３０の裏面ｆ６側に突出することなく）、より少ない充填量で電子部品５０の周囲を封止樹脂６０で封止することができる。

封止樹脂６０は、線熱膨張係数が小さい半導体用のもの、例えばエポキシ樹脂系の封止樹脂を使用することができる。撮像ユニット１０は、内視鏡２に使用される際、封止樹脂で封止される。この封止樹脂の膨張収縮によって接続部に応力が加わり、接続部の破断を招くおそれがある。したがって、低熱膨張率の封止樹脂６０により、電子部品５０と回路基板３０との接続部、および電子部品５０の周囲を覆うように封止樹脂６０で封止することにより、接続信頼性を向上することができる。

封止樹脂６０は、電子部品５０の実装高さｈ２以上であって、凹部３２の高さｈ１以下まで充填されることが好ましい。封止樹脂６０の最大高さｈ４を電子部品５０実装高さｈ２以上とすることにより、電子部品５０の周囲の略全域を封止樹脂６０で覆うことができ、接続信頼性を保持することができるためである。また、封止樹脂６０の最大高さｈ４を凹部３２の高さｈ１以下とすることにより、撮像ユニット１０の太径化を防止することができる。

なお、接続信頼性の向上という観点からは、電子部品５０の周囲の全体を封止樹脂６０で封止することが好ましいが、図７に示すように、封止樹脂６０の最大高さｈ４が、凹部３２の底面からの最大高さｈ４が段差部３３の高さｈ３以上となるように充填すれば、撮像ユニット１０の細径化と、接続信頼性とをともに充足することができる。

また、封止樹脂６０の最大高さｈ４が凹部３２の高さｈ１以下であれば、図８に示すように、封止樹脂６０が段差部３３の角部を超えて充填されていてもよい。図８は、本発明の実施の形態の変形例２に係る凹部３２内の封止樹脂６０の充填を示す断面図である。使用する封止樹脂６０の粘度により、封止樹脂６０が段差部３３の角部を超えて充填される場合があるが、粘度が低い封止樹脂６０を使用する場合にも、段差部３３はマーカとして機能するだけでなく、凹部３２外への封止樹脂６０のはみ出しを防止できる。

さらに、使用する電子部品５０および封止樹脂６０の種類や、凹部３２の高さｈ１、電子部品５０の高さｈ２、段差部３３の高さｈ３の設定により、封止樹脂６０が凹部３２外にはみ出してしまう場合がある。係る場合でも、段差部３３を設けた場合、設けない場合よりも封止樹脂６０の最大高さｈ４（平均）を小さくできるので好ましい。

また、段差部３３は、マーカおよび封止樹脂６０の液止めとして機能するものであればよく、上記の実施の形態および変形例で説明した階段状のものに限定されるものでない。図９は、本発明の実施の形態の変形例３に係る凹部３２内の封止樹脂６０の充填を示す断面図である。変形例３では、凹部３２は底面側が小さくなるテーパ状をなし、段差部３３は、鉛直方向に延びる壁面である。変形例３においては、凹部３２と段差部３３の界面が、マーカおよび封止樹脂６０の液止めとして機能し、封止樹脂６０の凹部３２からのはみ出しを防止し、接続信頼性を向上しうる。

さらにまた、段差部３３は、凹部３２を刳り貫くようにして形成されたものでもよい。図１０は、本発明の実施の形態の変形例４に係る凹部３２内の封止樹脂６０の充填を示す断面図である。図１０に示すように、段差部３３は、凹部３２の底面側の壁面を刳り貫いて形成され、段差部３３と凹部３２との間の角部が、マーカおよび封止樹脂６０の液止めとして機能し、封止樹脂６０の凹部３２からのはみ出しを防止し、接続信頼性を向上しうる。

また、上記実施の形態および変形例では、凹部３２のすべての壁面に段差部３３が形成されているが、段差部３３は、凹部３２の対向する少なくとも２つの壁面に形成されていればよい。図１１は、本発明の実施の形態の変形例５に係る回路基板３０Ａの底面図である。変形例５では、凹部３２の先端部側の壁面ｍ１と、基端部側の壁面ｍ３に段差部３３が形成され、壁面ｍ２およびｍ４に段差部３３が形成されていない。変形例５のように、対向する２つの壁面ｍ１およびｍ３形成された段差部３３が、マーカおよび封止樹脂６０の液止めとして機能し、封止樹脂６０の凹部３２からのはみ出しを防止し、接続信頼性を向上しうる。また、対向する２つの壁面であればよく、壁面ｍ２とｍ４に段差部３３を設けてもよい。

なお、撮像ユニットの細径化を図りながら、接続信頼性を向上する観点からは凹部３２の内部に段差部３３を形成することが好ましいが、凹部３２の側面から近接する電子部品５０への距離と、隣接する電子部品５０間の距離とを、同程度の距離とすることで封止樹脂６０の封入量の偏りを抑制できるので好ましい。図１２は、従来の回路基板の凹部周辺の断面図である。図１３は、本発明の実施の形態の変形例６に係る回路基板の凹部３２の底面図である。図１４は、図１３の断面図である。

図１２に示すように、凹部３２の側面から近接する電子部品５０への距離Ｌｂ１と、隣接する電子部品５０間の距離Ｌｐ１とに差がある場合、封止樹脂６０は狭い場所から流れ出し難く、封入量に偏りが生じる場合がある。図１３および図１４に示すように、凹部３２の側面から近接する電子部品５０への距離Ｌｂ１（横方向）と、隣接する電子部品５０間の距離Ｌｐ１（横方向）、および凹部３２の側面から近接する電子部品５０への距離Ｌｂ２（縦方法）と、隣接する電子部品５０間の距離Ｌｐ２（縦方向）とをそれぞれ略同一とすることにより、封止樹脂６０の偏りを防止でき、封止樹脂６０の凹部３２からのはみ出しを抑制することができる。これにより、電子部品５０の接続信頼性が向上するとともに、撮像ユニットの細径化も図ることができる。

本発明の撮像ユニットは、高画質な画像、先端部の細径化が要求される内視鏡システムに有用である。

１ 内視鏡システム
２ 内視鏡
３ 情報処理装置
４ 光源装置
５ 表示装置
６ 挿入部
６ａ 先端部
６ｂ 湾曲部
６ｃ 可撓管部
７ 操作部
７ａ 湾曲ノブ
７ｂ 処置具挿入部
７ｃ スイッチ部
８ ユニバーサルコード
８ａ、８ｂ コネクタ
１０ 撮像ユニット
２０ 半導体パッケージ
２１ 撮像素子
２２ ガラス
２３ バンプ
３０ 回路基板
３１ 突起部
３２ 凹部
３３ 段差部
３４ 検査端子
３５ 第２の電極
４０ プリズム
５０ 電子部品
６０ 封止樹脂

Claims (7)

1. 光学系から入射された光を受光して光電変換を行うことにより電気信号を生成する撮像素子を有し、裏面に接続電極が形成された半導体パッケージと、
   複数の電子部品と、
   矩形板状をなし、表面に前記撮像素子が実装される第１の電極が形成されるとともに、裏面に複数の前記電子部品が実装される第２の電極が形成された凹部を有する回路基板と、
   前記凹部内に実装される前記複数の電子部品の周囲に充填されている封止樹脂と、
   を備え、
   前記凹部の対向する少なくとも２つの壁面に段差部を有し、前記電子部品および前記封止樹脂は、前記凹部から前記回路基板の裏面側に突出しないことを特徴とする撮像ユニット。
2. 前記段差部は、前記凹部のすべての壁面に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の撮像ユニット。
3. 前記封止樹脂は、前記凹部の底面からの最大高さが前記段差部の高さ以上まで充填されていることを特徴とする請求項２に記載の撮像ユニット。
4. 前記封止樹脂は、前記段差部の角部から前記凹部の開口部側に球面をなすように充填されていることを特徴とする請求項３に記載の撮像ユニット。
5. 前記段差部の高さは、前記複数の電子部品の実装高さの６０〜１４０％であることを特徴とする請求項１に記載の撮像ユニット。
6. 前記段差部の高さは、前記凹部の高さの５０〜９０％であることを特徴とする請求項１に記載の撮像ユニット。
7. 請求項１に記載の撮像ユニットが先端に設けられた挿入部を備えたことを特徴とする内視鏡。

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