JP6625615B2

JP6625615B2 - 撮像装置

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Publication number: JP6625615B2
Application number: JP2017512172A
Authority: JP
Inventors: 紀幸藤森
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2015-04-17
Filing date: 2015-04-17
Publication date: 2019-12-25
Anticipated expiration: 2035-04-17
Also published as: JPWO2016166890A1; CN107431767A; EP3285480A1; US20180041671A1; EP3285480A4; US10582098B2; WO2016166890A1

Description

本発明は、受光面と対向している対向面に凸状電極を有する撮像素子と、前記凸状電極と接合された接合端子を有する配線板と、を具備する撮像装置に関する。

撮像素子の平面視サイズとほぼ同等の平面視サイズのＣＳＰ（Chip Size Package）型の撮像装置は、小型、特に細径であるため、電子内視鏡の先端部に用いられている。

例えば、日本国特開２００７−３６４８１号公報には、撮像素子の受光面にカバーガラスが接着されたＣＳＰ型の撮像装置が開示されている。ＣＳＰ型の撮像装置では、受光部が形成された受光面はカバーガラスで覆われているため、受光面と対向する対向面（裏面）に受光部と電気的に接続された突起電極が配設されている。そして、半田ボールまたは金バンプ等からなる突起電極が回路基板の電極パッドと接合されている。この撮像装置では、対向面には複数の突起電極が格子状に配列されている。

しかし、対向面に突起電極を有する撮像素子を具備する撮像装置は、回路基板との接合工程において不良品となることがあり、製造歩留まりが高くはないことがあった。また、撮像装置に応力が加わると、突起電極と回路基板との接合部に応力が集中しやすく、信頼性を低下させる一因となっていた。

特開２００７−３６４８１号公報

本発明の実施形態は、製造歩留まりが高く、また信頼性の高い撮像装置を提供することを目的とする。

本発明の実施形態の撮像装置は、受光面から入射する光を受光する受光部と、前記受光面と対向している対向面に配設されている複数の凸状電極と、を有する撮像素子と、前記受光部に光を集光する光学系と、複数の凸状電極のそれぞれと、それぞれが接合された複数の接合端子を主面に有する配線板と、を具備する撮像装置であって、前記複数の凸状電極が、前記受光部が形成されている領域と対向する受光部対向領域に配置されておらず、前記撮像素子の厚さは、５０μｍ以下であり、前記複数の凸状電極は、半田であり、前記撮像素子にアナログ回路およびデジタル回路が形成されており、前記複数の凸状電極が、前記アナログ回路が形成されている領域と対向するアナログ回路対向領域に配置されておらず、前記デジタル回路が形成されている領域と対向するデジタル回路対向領域の少なくとも一部に配置されている。

本発明の実施形態によれば、製造歩留まりが高い撮像装置を提供できる。

第１実施形態の撮像装置の分解図である。第１実施形態の撮像装置の断面図である。第１実施形態の撮像装置の撮像素子の上面図である。第１実施形態の変形例１の撮像装置の断面図である。第１実施形態の変形例１の撮像装置の撮像素子の上面図である。第１実施形態の変形例２の撮像装置の撮像素子の上面図である。第１実施形態の変形例３の撮像装置の撮像素子の上面図である。

＜第１実施形態＞
図１〜図３に示すように、本発明の第１実施形態の撮像装置１は、光学系１０と、カバー部材２０と、撮像素子３０と、配線板４０と、を具備する。なお、以下の説明において、各実施の形態に基づく図面は、模式的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、夫々の部分の厚みの比率および相対角度などは現実のものとは異なることに留意すべきであり、図面の相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。

シリコン等の半導体からなる撮像素子３０は、ＣＣＤまたはＣＭＯＳ撮像素子等であり、受光面３０ＳＡから入射する光を受光する画素エリアである受光部３１が形成されている。また、撮像素子３０の受光部３１の周囲には、受光部３１が出力するアナログ信号を処理するアナログ回路３３と、デジタル化された信号を処理するデジタル回路３２が形成されている。なお、受光部３１もアナログ回路である。なお、撮像素子３０は、表面照射型（ＦＳＩ：Front-side Illumination）でもよいし、裏面照射型（ＢＳＩ：Back-side Illumination）でもよい。

撮像素子３０の受光面３０ＳＡと対向する対向面（裏面）３０ＳＢには、複数の凸状電極３９が配設されている。凸状電極３９は、例えば、高さが５μm以上１００μm以下、直径が５μm以上１００μmである。凸状電極３９は、図示しない貫通配線等を介して受光部３１と電気的に接続されている。凸状電極３９は半田ボールまたは金バンプ等からなる。

カバー部材２０は、受光部３１の受光を阻害せずに撮像素子３０を保護する。カバー部材２０は、光透過性を有するガラスまたは樹脂等の光透過性部材からなる。

光学系１０は、受光部３１に被写体からの光を集光するレンズ１１と、レンズ１１を保持する枠部材１２とを有する。レンズ１１は、被写体からの光を集光し受光部３１に結像する。なお、光学系１０が有するレンズ１１は単一のレンズであってもよいし、複数のレンズを組み合わせたものであってもよい。

配線板４０は、リジッド配線板またはフレキシブル基板、または、これらの組み合わせからなる。配線板４０は、主面４０ＳＡに、複数の接合端子４９を有する。複数の接合端子４９の配置は、接合される撮像素子３０の複数の凸状電極３９の配置と対応している。

なお、図２に示すように、撮像素子３０と配線板４０との間には封止樹脂４５が配設されている。

そして、発明者は、鋭意研究の結果、撮像素子３０と配線板４０との接合工程において画素欠陥等の不良品が発生する原因が、凸状電極３９が撮像素子３０の受光部３１に与える応力であることを見出して本発明を完成するに至った。

接合のとき、配線板４０から撮像素子３０の対向面３０ＳＢに加えられた圧力は、凸状電極３９の上面（頂点）に集中する。すると、接合端子４９の下部に強い応力が加わる。接合端子４９の下部に受光部３１が形成されていると、応力により光電変換された信号の強度が変化したり、微細な受光画素が破損したりすることがある。

撮像素子３０の厚さが１ｍｍ以下、特に裏面照射型の撮像素子のように５０μｍ以下になると、応力の影響が顕著となる。

なお、凸状電極３９と接合端子４９とは半田接合できると接合工程が簡単になる。しかし、熱応力の影響も加わる。

このため、図３に示すように本発明の実施形態の撮像装置１では、５個の凸状電極３９が、受光部３１が形成されている領域と対向する、対向面３０ＳＢの受光部対向領域に配置されていない。

受光部対向領域に凸状電極３９を配置していない撮像装置１は、接合時の不良発生が大幅に低減された。すなわち、撮像装置１は歩留まりが高い。

なお、受光部３１への応力の影響を、さらに低減するためには、３個以上の凸状電極３９が光学系１０の光軸Ｏを中心とする回転対称位置に配置されていることが好ましい。

図３に示すように撮像装置１では、５個の凸状電極３９が、光軸Ｏを中心とする回転対称位置、すなわち、円Ｃの円周状に等間隔に配置されている。言い替えれば、５個の凸状電極３９は正五角形の頂点に配置されている。もちろん、凸状電極３９は、受光部３１およびアナログ回路３１と対向しているアナログ回路対向領域には配置されていない。

凸状電極３９が光軸Ｏを中心とする回転対称位置に配置されていると、凸状電極３９から受光部３１に印加される応力を均一化することができる。このため、撮像装置１は、より歩留まりが高く、信頼性に優れている。

ここで、図３に示すように、撮像装置１は、対向面３０ＳＢの外形形状の重心位置Ｇが、光軸Ｏが対向面３０ＳＢと交差する点から偏心している。なお、重心位置Ｇは矩形の撮像素子３０の対向面３０ＳＢの対角線の交点である。

従来のＣＳＰ型の撮像装置では、複数の凸状電極３９は光軸Ｏの位置とは関係なく、対向面３０ＳＢの全面に均一に配置されていた。これに対して撮像装置１では、凸状電極３９による応力を均一化するために、光軸Ｏ、すなわち、受光部３１の中心を基準に複数の凸状電極３９が配置されている。

また、図１および図３に示すように、撮像装置１では、光学系１０の枠部材１２は、カバー部材２０および撮像素子３０よりも外寸が小さい。このため、カバー部材２０の表面の一部には枠部材１２が配設されていない。

すなわち、光学系１０の枠部材１２は、光軸Ｏの位置、すなわち、複数の凸状電極３９の配置位置を基準に配設されている。このため、枠部材１２に印加される横方向の曲げ応力は、複数の凸状電極３９に均等に印加される。このため、撮像装置１は、複数の凸状電極３９と配線板４０との接続信頼性に優れている。

＜第１実施形態の変形例＞
次に、第１実施形態の撮像装置１の変形例の撮像装置について説明する。変形例の撮像装置は撮像装置１と類似しており撮像装置１と同じ効果を有するため、同じ機能の構成要素には同じ符号を付し説明は省略する。

＜変形例１＞
図４Ａおよび図４Ｂに示すように、変形例１の撮像装置１Ａは、光学系１０Ａと、撮像素子３０Ａと、配線板４０Ａと、を具備する。ここで、光学系１０Ａがカバー部材の機能を有する。すなわち、複数の光学系１０Ａを含むガラスウエハが複数の撮像素子３０Ａを含む半導体ウエハに接着された接合ウエハの切断により作製されている。ウエハレベルオプティクス法により作製されている撮像装置１Ａは、保護だけを目的とするカバー部材を有していない。

ここで、撮像装置１では、接合端子４９のからの応力を考慮して、凸状電極３９はすべてが、複雑な半導体回路が形成されていない無回路領域と対向している無回路対向領域に配置されていた。しかし、非常に小さい、例えば、短辺の長さが１０ｍｍ以下、特に５ｍｍ以下の撮像素子３０では無回路対向領域だけに必要な数の凸状電極３９を配置することは容易ではない。

発明者は、デジタル回路３２はアナログ回路３３に比べて応力による影響を受けにくいことを見出した。このため、撮像装置１Ａでは、凸状電極３９が、対向面３０ＳＢのデジタル回路３２と対向するデジタル回路対向領域の一部に配設されている。

言い替えれば、撮像装置１Ａは、凸状電極３９が、アナログ回路３３が形成されている領域と対向するアナログ回路対向領域に配置されておらず、デジタル回路３２が形成されている領域と対向するデジタル回路対向領域の少なくとも一部に配置されている。

撮像装置１Ａは、撮像装置１よりも凸状電極３９の配置の自由度が高く、小型化が容易である。

なお、裏面照射型撮像素子の場合には、受光部３１の背面に信号の入出力のためのアナログ回路が形成されており、受光部対向領域以外にはアナログ対向領域がない場合もある。この場合には、撮像装置１Ａは、実質的には撮像装置１と同じ構成となる。

また、４つの凸状電極３９は、対向面３０ＳＢのアナログ回路対向領域以外の領域で、かつ、光軸Ｏを中心とする回転対称位置、すなわち、円ＣＡの円周状に等間隔に配置されている。４個の凸状電極３９は正方形の頂点に配置されている。なお、図４Ｂでは、光軸Ｏが対向面３０ＳＢと交差する点と、対向面３０ＳＢの外形形状の重心位置Ｇが一致している。

なお、撮像装置１と同じように、光学系およびカバー部材を具備していても、受光部３１を含むアナログ回路３３が形成されている領域と対向するアナログ回路対向領域に凸状電極３９配置されていない撮像装置が、撮像装置１と同じ効果を有することは言うまでも無い。

＜変形例２＞
図５に示すように、変形例２の撮像装置１Ｂでは、変形例１の撮像装置１Ａの撮像素子３０Ａのかわりに撮像素子３０Ｂを具備する。３つの凸状電極３９は、アナログ回路対向領域以外の領域で、かつ、光軸Ｏを中心とする回転対称位置、すなわち、円ＣＢの円周状に等間隔に配置されている。３個の凸状電極３９は正三角形の頂点に配置されている。

３個以上の凸状電極３９が、回転対称位置に配置されていると、受光部３１への応力の影響を均等化することができる。

このため、撮像素子の仕様で２個の凸状電極３９しか必要がない場合には、受光部３１と接続されていない凸状電極、または、他の凸状電極と接続されているダミー電極を配設することで、３個以上の凸状電極３９を有する撮像素子を作製する。ダミー電極の寸法が凸状電極３９と同じであることは言うまでもない。

すなわち、実施形態の撮像装置は、複数の凸状電極３９に、他の凸状電極と同じ電位または前記受光部と接続されていないダミー電極、が含まれていてもよい。

なお、凸状電極の数が多いほど、応力は均一化される。このため、３個以上の凸状電極３９を有する撮像素子であっても、さらにダミー電極を配設することが好ましい。凸状電極３９の数は４個以上が好ましく、特に好ましくは、６個以上である。凸状電極３９の数の上限は、対向面３０ＳＢの面積等によっても増減するが、例えば、１２個以下である。

＜変形例３＞
図６に示すように、変形例３の撮像装置１Ｃでは、変形例１の撮像装置１Ａの撮像素子３０Ａのかわりに撮像素子３０Ｃを具備し、光軸Ｏを中心とする第１の円周ＣＣ１上に配置されている４個の第１の凸状電極３９Ａと、第２の円周ＣＣ２上に配置されている４個の第２の凸状電極３９Ｂと、を有する。

４個の第１の凸状電極３９Ａおよび４個の第２の凸状電極３９Ｂは、それぞれ回転対称に配置されている。さらに、第１の凸状電極３９Ａと第２の凸状電極３９Ｂとは、受光部３１への圧力を平均化するように、最も離れた位置に配置されている。

なお、第２の凸状電極３９Ｂ１は、すでに説明したダミー電極である。すなわち、第２の凸状電極３９Ｂ１は、受光部３１と電気的に接続されていない応力均一化のための電極である。

複数の凸状電極３９が、光学系の光軸Ｏを中心とする第１の円周上に配置されている３個以上の第１の凸状電極３９Ａと、第２の円周上に配置されている３個以上の第２の凸状電極３９Ｂと、からなる撮像装置は、狭い面積の対向面３０ＳＢの中で、さらに、アナログ回路対向領域以外の領域に、より多くの凸状電極を配置することができる。

なお、第１の凸状電極３９Ａの数と、第２の凸状電極３９Ｂの数とは異なっていてもよい。

もちろん、第１の円周および第２の円周と同心の第３の円周上に、さらに複数の凸状電極が配置されていてもよい。

本発明は、上述した実施形態および変形例等に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲内において種々の変更、組み合わせおよび応用が可能である。

１、１Ａ〜１Ｃ・・・撮像装置
１０・・・光学系
１１・・・レンズ
１２・・・枠部材
１２・・・枠部材
２０・・・カバー部材
３０・・・撮像素子
３０ＳＢ・・・対向面
３１・・・受光部
３２・・・デジタル回路
３３・・・アナログ回路
３９・・・凸状電極
４０・・・配線板

Claims

受光面から入射する光を受光する受光部と、前記受光面と対向している対向面に配設されている複数の凸状電極と、を有する撮像素子と、
前記受光部に光を集光する光学系と、
前記複数の凸状電極のそれぞれと、それぞれが接合された複数の接合端子を主面に有する配線板と、を具備する撮像装置であって、
前記複数の凸状電極が、前記受光部が形成されている領域と対向する受光部対向領域に配置されておらず、
前記撮像素子の厚さは、５０μｍ以下であり、
前記複数の凸状電極は、半田であり、
前記撮像素子にアナログ回路およびデジタル回路が形成されており、
前記複数の凸状電極が、前記アナログ回路が形成されている領域と対向するアナログ回路対向領域に配置されておらず、前記デジタル回路が形成されている領域と対向するデジタル回路対向領域の少なくとも一部に配置されていることを特徴とする撮像装置。
受光面から入射する光を受光する受光部と、前記受光面と対向している対向面に配設されている複数の凸状電極と、を有する撮像素子と、
前記受光部に光を集光する光学系と、
前記複数の凸状電極のそれぞれと、それぞれが接合された複数の接合端子を主面に有する配線板と、を具備する撮像装置であって、
前記複数の凸状電極が、前記受光部が形成されている領域と対向する受光部対向領域に配置されておらず、
３個以上の前記複数の凸状電極の全ては、前記光学系の光軸を中心とする円周上に配置されていることを特徴とする撮像装置。
３個以上の前記複数の凸状電極が、前記光学系の光軸を中心とする回転対称位置に配置されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の撮像装置。
前記複数の凸状電極が、前記光学系の光軸を中心とする第１の円周上に配置されている３個以上の第１の凸状電極と、第２の円周上に配置されている３個以上の第２の凸状電極と、からなることを特徴とする請求項３に記載の撮像装置。
前記撮像素子の前記対向面の重心が、前記光学系の光軸が前記対向面と交差する点から偏心していることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の撮像装置。
前記光学系の枠部材が、前記複数の凸状電極の配設位置と対向する、前記受光面の外周領域の上部に配設されていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の撮像装置。
前記複数の凸状電極と前記複数の接合端子とが半田接合されていることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の撮像装置。
前記複数の凸状電極が、他の凸状電極と同じ電位または前記受光部と接続されていないダミー電極を含むことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の撮像装置。