JP7162238B2 - 固体撮像装置 - Google Patents

Description

本開示は、電子内視鏡等に設けられる小型の固体撮像装置に関するものである。

従来から医療分野において、細長い挿入部を体腔内に挿入することにより、体腔内臓器等を観察したり、処置具チャンネル内に挿通された処置具を用いて各種治療処置したりできる医療用の内視鏡が提供されている。また、工業分野において、ボイラ、タービン、エンジン、化学プラントなどの内部の傷や腐蝕などを観察又は検査できる工業用の内視鏡が提供されている。

このような内視鏡（電子内視鏡）には、例えば、挿入部の先端部に電荷結合素子（ＣＣＤと略記）などの固体撮像素子や電子部品を備えた固体撮像装置を内蔵したものがある。固体撮像装置は、撮像対象物からの反射光を受光して光電変換し、光電変換した信号を、信号ケーブルを介して、モニタ装置を備えた情報処理装置に伝送する。情報処理装置は、固体撮像装置から受信した信号を処理し、固体撮像装置で撮像された撮像対象物を、モニタ装置にカラー表示する。

固体撮像装置を内蔵した内視鏡は、例えば、狭く曲がりくねった管腔内等に挿入されるため、挿入部の細径化が望まれている。また、固体撮像装置は、小回りがきき、操作性の良い内視鏡を実現するため、小型化、小径化が望まれている。

特許文献１には、内視鏡の先端部に配置される固体撮像装置が開示されている。図５は、特許文献１に記載の固体撮像装置の断面図であり、図６は、特許文献１の固体撮像装置の平面図である。

特許文献１に記載の固体撮像装置では、固体撮像素子１０１の受光面上にカバーガラス１０２が接着され、受光面に形成された突起電極２ｂに、フレキシブル回路基板１０３のリード１０４が接続されている。また、特許文献１の固体撮像装置では、カバーガラス１０２の周辺部と、固体撮像素子１０１及びフレキシブル回路基板１０３のリード１０４の接続部分とが、第２封止樹脂５で封止されている。特許文献１の固体撮像装置によれば、封止樹脂によって形成される封止固定部を極力小さくすることにより、全体の構成を小型化できるとされる。

また、特許文献２には、撮像ユニットの小型化を可能にし、電子内視鏡等の先端部の一層の細径化を図ることのできる固定撮像装置が開示されている。

図７は、特許文献２に記載の固体撮像装置の斜視図である。特許文献２に記載の固体撮像装置において、固体撮像素子１８の外周部に設けられたボンディングパッド２５と、固体撮像素子１８の背面に結合された垂直向きの基板２０ａに設けられたボンディングパッド２６とがフレキシブル回路基板２９により接続され、基板２０ａの背面に水平向きの基板２０ｂを結合し、基板２０ａに対して後退する基板２０ｂの段差面に電子部品１９が実装されると共に、基板２０ｂの段差面の端部に形成した端子部２７に信号ケーブル３０が接続されている。特許文献２の形態によれば、固体撮像素子１８の投影面積内に基板２０ａ，２０ｂと、基板２０ｂに実装された電子部品１９及び信号ケーブルの端子部２７が納まるようにでき、内視鏡先端部の一層の細径化ができるとされる。

特開２００１－１７３８９号公報 特開２０００－１９９８６３号公報

内視鏡は、固体撮像素子の高解像度化と更なる小型化が求められる。

特許文献１では、封止樹脂１０５によって形成された封止固定部１０６の範囲が広範になることによって、固体撮像装置の小型化が阻まれていた。例えば、固体撮像装置を固体撮像素子１０１の受光面側から見ると、封止固定部１０６が固体撮像素子１０１の外縁からはみ出す。そのため、固体撮像装置の受光面側から見た大きさは、封止固定部１０６の大きさにより決まり、更なる小型化を阻む。

また、特許文献２の方法によれば、固体撮像素子１８と回路基板２０とはフレキシブル回路基板２９によって接続しなければならず、固体撮像素子の受光面側から見た大きさは、固体撮像素子１８よりも大きくなり、更なる小型化を阻む問題がある。

本開示は、高解像度化が進む固体撮像素子において、更なる小型化された固体撮像装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、受光面と、上記受光面と反対の面に形成された再配線層と、を備えた固体撮像素子と、上記固体撮像素子に固定されるメイン基板と、上記固体撮像素子の再配線層に設けられた接続端子と上記メイン基板上の接続端子とを電気的に接続する突起電極と、上記突起電極を覆う第１封止樹脂と、上記メイン基板上に搭載された少なくとも１個の電子部品と、を含み、上記メイン基板は、ベース部と上記ベース部に積層された突起部とを有する固体撮像装置を用いる。

本開示によれば、より小型化した固体撮像装置を提供することができる。

本開示の実施の形態における固体撮像装置の構成を模式的に示す断面図 本開示の実施の形態における固体撮像装置の構成を模式的に示す側面図 本開示の実施の形態における固体撮像装置の構成を模式的に示す平面図 （ａ１）～（ｄ２）本発明の実施の形態における固体撮像装置の製造工程を模式的に示す断面図 本発明の実施の形態のメイン基板の形状を模式的に示す断面図 本発明の実施の形態の固体撮像装置の構造を模式的に示す断面図 本発明の実施の形態のメイン基板の形状を模式的に示す断面図 特許文献１に記載の固体撮像装置の断面図 特許文献１に記載の固体撮像装置の平面図 特許文献２に記載の固体撮像装置の斜視図

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
（固体撮像装置の構造）
図１Ａは、本開示の実施の形態における固体撮像装置の構成を模式的に示す断面図である。

＜固体撮像素子３＞
図１Ａに示すように、本発明の実施の形態における固体撮像装置は、矩形の固体撮像素子３を有している。図１Ｂは、図１Ａの側面図であり、本開示の実施の形態における固体撮像装置の構成を模式的に示す側面図である。

固体撮像素子３の一方の表面には、受光面３ａを、もう一方の表面には再配線層３ｃを有している。

固体撮像素子３の両面の配線同士は、貫通ビア３ｂによって電気的に接続されている。ここで、固体撮像素子３とは、光を検出して電気信号、画像に変換する素子であり、例えばＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサなどである。固体撮像素子３は、例えば、Ｓｉ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓなどの基材から成る。

受光面３ａの画素数は、例えば１００～４００万画素であり、画素サイズは例えば１～２μｍである。

貫通ビア３ｂは、金属膜または金属めっきなどから成り、例えばＣｕ、Ｗ、Ａｕなどが用いられる。

ここで、再配線層３ｃの内部は、３次元に配線され、貫通ビア３ｂと再配線層３ｃ表面の複数個の接続端子９とは電気的に接続されている。そのため、受光面３ａで受けた１画素ないしは複数画素の電気信号を処理した後、貫通ビア３ｂを介して、再配線層３ｃを通り、接続端子９に伝えることができる。ここで、再配線層３ｃは例えばＣｕ、Ａｌ、Ａｕなどの金属膜から成る配線層と例えばエポキシ、ポリイミド、アクリル、ＳｉＮ、ＳｉＯ２などの絶縁層とから成る。

接続端子９は、円または多角形形状の例えばＡｕ、Ａｌ、Ｃｕなどの金属膜から成る。

固体撮像素子３の受光面３ａには、透明かつ直方体形状のカバーガラス１が配置されており、カバーガラス１は接着剤２によって固体撮像素子３に固定されている。ここで、カバーガラス１は、例えば、ホウケイ酸、石英、サファイア、水晶などの屈折率が１．３～１．８の透明材料が用いられる。接着剤２は、例えばアクリル、エポキシ、シリコーンなどの紫外線硬化ないしは熱硬化または紫外線・熱硬化併用の透過率９０％以上かつ屈折率が１．３～１．８の透明材料である。固体撮像素子にカバーガラスを貼り付けることにより、組立工程において、埃や異物が直接受光面に付着するのを防ぐことができるだけでなく、使用環境下において水分の侵入、異物の付着を防ぐことができる。

＜メイン基板８＞
また、固体撮像素子３の再配線層３ｃに対向するように、メイン基板８が配置されている。メイン基板８は、少なくとも２段から成る多段基板である。メイン基板８には、直方体の突起部８ａと、突起部８ａより大きな直方体のベース部８ｂとから成る。両者は積層体、または、一体物である。突起部８ａ上面、ベース部８ｂの上面と側面、と裏面には、それぞれ接続端子１４、接続端子１５、接続端子１６を備え、それぞれの接続端子間は、メイン基板８の内部や表面の３次元配線・ビアにより電気的に接続されている。

ここで、メイン基板８は、固体撮像素子３から出力された電気信号端子と図示しない外部接続機器に繋ぐためのケーブルとを、コンデンサ、コイル、抵抗とを接続するための中継基板である。

メイン基板８は、例えば、アルミナ、ガラスなどから成るセラミック多層基板または、ガラスエポキシ、アラミドなどから成る有機多層基板である。メイン基板８上の接続端子は、焼成導電接着剤やスパッタ膜へのめっき膜などから成る。

メイン基板８の突起部８ａ上面には複数個の接続端子１１が、固体撮像素子３の接続端子９と対向する位置に複数個設けられており、接続端子１１と接続端子９とは突起電極１０によって電気的に接続されている。ここで、突起電極１０は、例えば、Ａｕ、Ｃｕ、はんだ、ＡｕＳｎ、導電性接着剤、ナノペースト、めっきなどから成る。

さらに、固体撮像素子３とメイン基板８との間には第１封止樹脂４が設けられ、突起電極１０を覆うように封止されている。第１封止樹脂４は、ベース樹脂、硬化剤、無機フィラーなどから成る熱硬化性または紫外線硬化性の一液接着剤であり、例えば、エポキシ、アクリル、シリコーン樹脂が用いられる。

一方、メイン基板８のベース部８ｂの上面には、接続端子１４が複数形成されており、接続端子１４の上には電子部品６が搭載され、接続端子１４と電子部品６とは接合材料１３によって電気的に接続されている。

電子部品６は、例えば、コンデンサ、抵抗、コイルであり、例えば０６０３、０４０２、０２０１などの寸法の部品が用いられる。また、接合材料１３は、例えば、はんだ、ＡｕＳｎ、導電性接着剤などから成る。

メイン基板８のベース部８ｂの側面には、ケーブル用の接続端子１５が複数個形成されている。ケーブル用の接続端子１５は、例えば、Ａｕ－Ｎｉ、Ａｕ－Ｐｄ－Ｎｉ、Ｃｕなどから成り、図示しない接続ケーブルの配線と、はんだや導電性接着剤を介して電気的に接続することができる。

図１Ｃは、本開示の実施の形態における固体撮像素子３の構成を模式的に示す平面図である。

固体撮像素子３上に形成された受光面３ａが矩形上に設けられており、受光面３ａを取り囲むように外周部に貫通ビア３ｂが複数個配置されている。貫通ビア３ｂのピッチ間隔は、例えば１０～１００μｍで設けられる。固体撮像素子３の受光面３ａを覆うように設けられた接着剤２およびカバーガラス１は透明材料のため、透過して受光面及び貫通ビア３ｂ上の電極パッドを観察することができる。

＜効果＞
本発明の実施の形態の構造によれば、小型かつ高画質の固体撮像素子において、固体撮像素子の投影面積内の外形寸法を保ったまま、立体方向に積層できるため、固体撮像装置を小型化することができ、内視鏡先端部の外形を小さくすることができる。

＜固体撮像装置の製造方法＞
図２（ａ１）～（ｄ２）は本発明の実施の形態における固体撮像装置の製造工程を模式的に示す断面図である。

まず、図２（ａ１）に示すバンプ形成工程において、スタッドバンプボンダなどのバンプ形成手段を用いて、メイン基板８の突起部８ａの接続端子１１に突起電極１０を形成する。 また、図２（ｂ１）に示す電子部品搭載工程において、接続端子１４にディスペンサやニードル転写装置などの材料供給手段を用いて、はんだペーストである接合材料１３を塗布した後、電子部品６を搭載し、リフロー炉などのはんだ溶融手段を用いてはんだ接合させる。

なお、バンプ形成工程後に電子部品工程で説明したが順序はこれに限られない。電子部品工程後にバンプ形成工程を行っても構わない。

さらに、図２（ｃ１）に示す封止樹脂塗布工程において、メイン基板８の突起部８ａにディスペンサやニードル転写装置などの材料供給手段を用いて、第１封止樹脂４を塗布する。ここで、予めメイン基板８の突起部８ａと電子部品６との間の空隙を充填するように第２封止樹脂５を塗布しておいても構わない。第２封止樹脂５によって接着面積が増えるため、信頼性を向上することができる。

次に、図２（ｄ１）に示す固体撮像素子実装工程において、加熱・加圧手段を用いて突起電極１０と接続端子９を接合させながら、第１封止樹脂４を硬化させる。例えば、接合部温度は１２０～１８０℃にするとよい。また、加熱・加圧と同時に超音波を印加してもよい。低温で接合でき、弱耐熱の固体撮像素子３にも適用できるようになる。さらに、硬化炉やリフロー炉などの加熱手段を用いて加熱してもよい。複数個の固体撮像装置を一括で硬化できるようになり、生産リードタイムを短縮することができるようになる。

図２（ａ２）～（ｄ２）は、以上の図２（ａ１）～（ｄ１）の側面図である。

＜メイン基板８の形状、切り欠き、面取り＞
図３Ａは本発明の実施の形態のメイン基板８の形状を模式的に示す断面図である。メイン基板８の突起部８ａの少なくとも１箇所の頂点近傍には、第１切り欠き部８ｃが設けられている。さらに、メイン基板８のベース部の少なくとも１か所の頂点近傍には第２切り欠き部８ｄが設けるのが好ましい。

図３Ｂは、本発明の実施の形態の固体撮像装置の構造を模式的に示す断面図である。固体撮像素子３とメイン基板８の突起部８ａ間にある第１の第１封止樹脂４は、再配線層３ｃの外周部へ濡れ拡がるよりも先に、第１切り欠き部８ｃに沿って濡れ拡がる。このため、第１切り欠き部８ｃは、第１封止樹脂４で充填される。結果、第１封止樹脂４は、固体撮像素子３の側面に濡れ拡がらない。

一方、メイン基板８のベース部８ｂと突起部８ａの間にある第２封止樹脂５は、第２切り欠き部８ｄ内に濡れ拡がる。しかし、メイン基板８側面には濡らさない。

ここで、第１封止樹脂４および第２封止樹脂５の塗布量が少なく、固体撮像素子３とメイン基板８の間に空隙が多い場合、固体撮像素子３とメイン基板８の接着強度は、突起電極１０の接合強度の影響が支配的になる。そのため、固体撮像素子３とメイン基板８との間の接合強度は、組み立て工程における搬送における振動や、固体撮像装置を落下させた時の衝撃に耐えられないほど低くなり、破壊不良が発生する問題が生じる。特に、メイン基板８の突起部８ａ上の接続端子１１の端子数が例えば数ピンから数十ピンと少ない場合や、接続端子１１がメイン基板８の中央部のみに偏って配置された場合において、この問題は顕著にみられるようになる。

以上の理由から、固体撮像素子３の外形から、封止樹脂は、はみ出さず、かつ、封止樹脂で空隙を十分満たす必要がある。

＜形状＞
ここで、図３Ａ、図３Ｂにおける第１切り欠き部８ｃ、第２切り欠き部８ｄの形状について説明する。切り欠き部形状は、凹部形状であり、半ドーム形状を有する。図３Ａ、図３Ｂの幅方向及び奥行き方向に対して幅は同等であり、深さは幅の１／２から同等であるとよい。

欠け部の端面は滑らかなドーム形状であってもよく、微小の凹凸や一定の表面粗さを有しているとなおよい。表面積が増えるため封止樹脂の表面張力が大きくなり、側面への濡れ拡がりを抑える効果がある。

さらに、深さは、メイン基板８の幅をｗ１、頭頂部の幅をｗ２、第１切り欠き部８ｃの幅をｗ４、第２切り欠き部８ｄの幅をｗ３とし、それぞれの関係を説明する。

第１切り欠き部８ｃの幅ｗ４は、頭頂部の幅ｗ２の５％以上５０％以下であることが望ましい。５％未満であると第１の第１封止樹脂４は再配線層３ｃの裏面全面に濡れ拡がり、側面まではみ出す問題が発生する。一方５０％以上であると頭頂部の片側にしか第１切り欠き部８ｃを設けることができなくなり、左右不均一な封止樹脂のフィレット形状となる。

一方、第１切り欠き部の幅ｗ４は、広いほど第１封止樹脂４をベース部８ｂの方向に誘導する効果が増し、固体撮像素子３の側面への封止樹脂流動を抑制することができる。さらに、第１切り欠き部８ｃと頭頂部とのなす角度は３０度以上６０度以下であるとなおよい。第１封止樹脂４をベース部８ｂ側に流動することが可能になる。

一方、第２切り欠き部の幅ｗ３は、メイン基板８の幅ｗ１の２％以上、３０％以下であることが望ましい。２％未満であると第２封止樹脂５はメイン基板８からはみ出し、カバーガラス上面からの投影寸法が固体撮像素子３を上回り、小型化できない問題が発生する。３０％より大きい場合、実装面積が確保できず、さらにメイン基板８の端面に封止樹脂が流出する問題が生じる。

＜効果＞
以上のような第１切り欠き部８ｃ、第２切り欠き部８ｄが少なくとも１つの角に形成されることにより、封止樹脂の拡がり、端面への濡れを防ぐことができろ。結果、固体撮像素子３の投影面積の範囲内に、第１封止樹脂４、５の拡がりを抑えられ、小型化に対応できるようになる。

さらに、４隅の角に第１切り欠き部８ｃ、第２切り欠き部８ｄを設けることにより、拡がり形状を均一化することができ、接合後の応力分布を緩和する効果もある。また、第１切り欠き部８ｃ、第２切り欠き部８ｄだけでなく、辺の中間部に複数個切り欠き部を有してもよく、辺全体に切り欠きを有していても構わない。

＜切り欠き部の形成方法＞
次に、第１切り欠き部８ｃ及び第２切り欠き部８ｄの形成方法について述べる。

セラミックから成るメイン基板８を、焼成し個片化した後、耐薬品性の網に一括投入し、振動を所定の時間加える。隣接するメイン基板８が衝突し合うことにより、角部に応力が集中し破壊強度を上回る衝撃が加わる。

そのために、角部が脱落し第１切り欠き部８ｃ及び第２切り欠き部８ｄが形成される。その後、網ごとめっき浴に投入し、無電解めっきを施すことにより、接続端子にめっき形成することができる。なお、めっき浴投入時あるいは洗浄時に振動を与えて切り欠き部を形成しても構わない。生産時間を短時間化することができる。

以上の実施の形態により、０．９０～０．９８ｍｍ×０．９０～０．９８ｍｍ、高さ０．８５～０．９５ｍｍのセラミック基板を形成し、切り欠き部を形成した結果、第１切り欠き部８ｃ及び第２切り欠き部８ｄの幅は、０．０５～０．２０ｍｍで形成された。

電子部品６として０６０３を２個搭載し、メイン基板８の頭頂部に第１封止樹脂４および第２封止樹脂５を塗布し１．０ｍｍ×１．０ｍｍ×０．４ｍｍの固体撮像素子３を熱圧着で実装精度±５μｍで実装した結果、第１封止樹脂４および第２封止樹脂５はメイン基板８からはみ出すことなく、かつ空孔部なく封止することができ、固体撮像措置の投影面積を固体撮像素子３の寸法と同等の１．０×１．０ｍｍ以内に抑えることができた。

上記の実施の形態における網は、複数個のメイン基板８が収納できるものとして説明したがこれに限られない。網の内部にメイン基板８が１個ずつ収納できるような間仕切りを設け、さらに間仕切りの内側に突起部や研削刃を設けてもよい。この方法によれば切り欠き部の形状をさらに安定化することができる。

また、網を用いずに、個片のメイン基板８を固定した後、研削、リューターなどの機械加工手段を用いて、切り欠き部を形成しても構わない。メイン基板８の材質が、破壊強度の高いガラスエポキシなどの有機基板であっても切り欠き部を形成することが可能になる。

＜傾斜形状のメイン基板８＞
図４は本発明の実施の形態のメイン基板８の形状を模式的に示す断面図である。メイン基板８の側面が傾斜している点で上記の実施の形態とは異なる。

メイン基板８の頭頂部の上面と側面のなす角をθ１、メイン基板８のベース部８ｂの上面と側面のなす角をθ２とする。

ここで、θ１およびθ２は９０°未満であるとよい。９０°未満であれば、液体状態の第１封止樹脂４が外周部まで濡れ拡がった後側面に流出するのを抑制することができる。

一方、９０°以上の場合、側面まで濡れ拡がり、外形が大きくなるだけでなく、ケーブル用の接続端子１５のはんだ接合を妨げる問題を生じる。

さらにθ２を９０°未満にすることにより、ケーブル用の接続端子１５にケーブルを接続する場合、はんだのフィレット量を多くしても、固体撮像素子３の投影面積内に抑えることが容易になり、小型化とケーブル接続端子の信頼性を両立できる効果もある。

本開示の固体撮像装置は、小型の固体撮像装置として、広く利用できる。例えば、内視鏡用固体撮像装置などに利用できる。

１ カバーガラス
２ 接着剤
２ｂ 突起電極
３ 固体撮像素子
３ａ 受光面
３ｂ 貫通ビア
３ｃ 再配線層
４ 第１封止樹脂
５ 第２封止樹脂
６ 電子部品
８ メイン基板
８ａ 突起部
８ｂ ベース部
８ｃ 第１切り欠き部
８ｄ 第２切り欠き部
９ 接続端子
１０ 突起電極
１１ 接続端子
１３ 接合材料
１４ 接続端子
１５ 接続端子
１６ 接続端子
１８ 固体撮像素子
１９ 電子部品
２０ 回路基板
２０ａ 基板
２０ｂ 基板
２５ ボンディングパッド
２６ ボンディングパッド
２７ 端子部
２９ フレキシブル回路基板
３０ 信号ケーブル
１０１ 固体撮像素子
１０２ カバーガラス
１０３ フレキシブル回路基板
１０４ リード
１０５ 封止樹脂
１０６ 封止固定部

Claims (6)

1. 受光面と、前記受光面と反対の面に形成された再配線層と、を備えた固体撮像素子と、
   前記固体撮像素子に固定されるメイン基板と、
   前記固体撮像素子の再配線層に設けられた第１接続端子と前記メイン基板上の第２接続端子とを電気的に接続する突起電極と、
   前記突起電極を覆う第１封止樹脂と、
   前記メイン基板上に搭載された少なくとも１個の電子部品と、を含み、
   前記メイン基板は、ベース部と前記ベース部に積層されかつ前記ベース部よりも小さな幅を有する突起部とを有し、
   前記メイン基板において、前記突起部上に前記第２接続端子が配置され、前記少なくとも１個の電子部品は前記固体撮像素子と前記ベース部との間に位置するように前記ベース部上に搭載される、固体撮像装置。
2. 前記突起部のコーナに凹形状の第１切り欠き部がある請求項１記載の固体撮像装置。
3. 前記第１封止樹脂は、前記第１切り欠き部より固体撮像装置の側面へはみ出さない請求項２記載の固体撮像装置。
4. 前記ベース部のコーナに凹形状の第２切り欠き部がある請求項１～３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
5. 前記電子部品は、前記ベースに配置され、前記電子部品を封止する第２封止樹脂があり、前記第２封止樹脂は、前記第２切り欠き部より固体撮像装置の側面へはみ出さない請求項４記載の固体撮像装置。
6. 前記突起部の上面と側面のなす角と、前記ベース部の上面と側面のなす角との少なくとも１方が９０°未満である請求項１または２に記載の固体撮像装置。

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