JP2006222249A - 固体撮像素子パッケージ - Google Patents

Abstract

【課題】耐久性に優れコンパクト且つ安価で、しかも光学性能の良好な個体撮像素子パッケージを提供する。
【解決手段】開口部底面に撮像素子チップ１２が収納固定された収納容器１１と、収納容器１１の外周縁部上面に載置され、中央に開口部を有するホルダー１９と、ホルダー１９の開口部の内周縁部上面に載置され、撮像素子チップ１２の前面を覆う光学部材２０とが一体的に構成される。収納容器１１とホルダー１９及びホルダー１９と光学部材２０のそれぞれを接着固定してなる密封空間を有し、ホルダー１９の弾性変形により該密封空間の容積を可変とした。
【選択図】 図２

Description

本発明は、デジタルスチルカメラやビデオカメラ等に用いられる固体撮像素子パッケージに関するものである。

一般に固体撮像素子では、入射光は所定間隔で規則的に配列されたセンサによってサンプリングされるため、解像できる最高の空間周波数は、センサの画素ピッチで決まるサンプリングの空間周波数の２分の１、即ちナイキスト周波数となる。入射光がこのナイキスト周波数以上の高い空間周波数成分を含む場合は、偽色や色モアレが生じてしまう。従って、このような現象を回避するため、入射光が固体撮像素子に到達する前に高い周波数成分を光学ローパスフィルターで取り除くようにしている。

一般的な個体撮像素子は、パッケージ容器内の気密性を確保するため、パッケージの前面にカバーガラスが貼り付けられ、撮像素子チップを外気から遮断している。前述の光学ローパスフィルターは、カバーガラスが貼られた個体撮像素子とは別体的に前述の個体撮像素子パッケージの前面に配置されている。しかしながら、このような光学ローパスフィルターやカバーガラスは、収差やゴースト増加の要因になるため薄い方が良く、その方が小型化にもなる。光学ローパスフィルターの厚みはセンサーの画素ピッチにっよって略一義的に決まってしまうが、カバーガラスにはこのような制約はないため薄くすることができる。

しかし、単純にカバーガラスを薄くした場合、使用環境の温度変化による膨張／収縮や、気圧の変化等による個体撮像素子容器内部に密閉された空気の膨張／収縮により割れ易くなってしまう。そこで、カバーガラス自体を廃止し、光学ローパスフィルターを個体撮像素子容器に直接接着固定させることで、カバーガラスの機能と兼用させるものも提案されている（特許文献２）。

一方、使用環境の温度変化による個体撮像素子パッケージ容器や光学ローパスフィルターの膨張／収縮を吸収するために、容器とカバーガラスの間にシリコーンゴム等の弾性部材を挟み込んで保持する構造とした個体撮像装置が提案されている（特許文献１）。弾性部材としてシリコーンゴム等を用いることにより、組立作業性は改善されるものの、弾性効果の高い材料ほど水蒸気圧に対する耐性は低下するため、個体撮像素子容器内部への水分の浸入を阻止することが出来ず、そのままでは厳密な機密性は保持できない。吸水性が高いと容器内部の湿度により撮像素子の性能が劣化や腐食の原因となる。また、容器とカバーガラスの間には充分な厚み方向の寸法が必要になるため、撮像素子の面積に対し、光軸方向の寸法が極端に大きくなる。このような構造は撮像素子面積が大きくなる程適さないものになる。

次に、図８を用いて従来の個体撮像素子パッケージの構造を説明する。１１１はセラミック材料からなる収納容器である。１１２は個体撮像素子チップであり、収納容器１１１の底面に接着等の方法により固着されている。１１３は端子（リードフレーム）であり収納容器１１１の内部から外部へと延出している。１１４は金線等からなるワイヤーボンディングであり、撮像素子チップ１１２と端子１１３とを接続している。

１１５は撮像素子の感度特性を補正する赤外吸収フィルターである。１１６は被写体像を水平方向に分離させる複屈折板である。１１７は直線偏光を円偏光へと変換する位相板である。１１８は被写体像を垂直方向に分離させる複屈折板である。赤外吸収フィルター１１５から複屈折板１１８までが一体化されて、ローパスフィルターユニットを構成している。ローパスフィルターユニットは収納容器１１１の上面に接着固定されている。１１９は遮光マスクであり、個体撮像素子チップに入射する不要な光束やゴーストを遮光するため設けられている。

Ｘは撮像素子チップの中心を通る撮影光軸である。Ｒ１，Ｒ２は撮像素子チップ１１２に入射する光束のうち最外周の光束を示している。Ｒ３，Ｒ４は斜め方向から個体撮像素子パッケージ内に入射してくる光線であり、撮影光以外の不要な光線を示している。光線Ｒ３，Ｒ４は、撮像素子チップ１１２と遮光マスク１１９との距離が離れているため、個体撮像素子パッケージ内部に入射し、はワイヤーボンディング１１４で反射され、ゴーストとなって個体撮像素子パッケージ内部に拡散する。

また、図９を用いて撮像素子の前面に配置された光学部材（カバーガラスや光学ローパスフィルターユニット）により生ずる非点収差について簡単に説明する。同図において、Ｐは焦点面である。Ｘは撮影光軸である。Ｆは光学部材であり、カバーガラス若しくは光学ローパスフィルター等に相当する並行平板である。

ｒ１，ｒ２，ｒ３はそれぞれ角度の異なる光線であり、不図示の撮影レンズから入射する点像の結像状態を示している。光学部材Ｆがない場合、図中、二点鎖線で示すようにｒ１，ｒ２，ｒ３は焦点面Ｐ上の一点ｐ１に結像する。しかし、光学部材Ｆが介在すると、光線ｒ１，ｒ２，ｒ３は図中、実線のように一点を通過しなくなる。即ち、像高により入射角が変わるため像高の高いところでは結像点のズレ量が大きくなる。また、光学部材の厚みが厚くなると、やはりずれる量が大きくなり、点が点として結像されず、ある広がりをもって結像されることになるため光学性能は低下する。従って、光学部材の厚みは薄ければ薄いほど非点収差の影響は無くなり、光学性能は向上する。

特開２００１−８５６５５号公報 特開２０００−１１４５０２号公報 特開昭６０−６６２０１号公報

上述した図９に示すように光学ローパスフィルターをカバーガラス代わりに、収納容器に直接接着した場合、光学ローパスフィルターは、カバーガラスに比べて剛性が高い分だけ割れ難くなる。その反面、光学ローパスフィルターと収納容器との接着が剥がれてしまうという新たな問題が生ずる。更に、高価な光学ローパスフィルターで容器の全体をカバーしなければならないので、大きな面積を必要としコストアップになってしまう。更に、撮像素子と遮光マスクとの距離が離れてしまうため、ゴースト等により光学性能が低下する。また、収納容器に対する光学ローパスフィルター等の光学部材の固定方法によっては、容器内部へ水分が浸入し易くなり、撮像素子チップが腐食してしまう。

本発明はかかる実情に鑑み、カバーガラスや光学ローパスフィルター等の光学部材が一体的に接着された個体撮像素子パッケージの使用環境下における温度変化や気圧の変化の影響による光学部材の割れや接着剥がれの心配がなく、機密性が高く信頼性の高いパッケージ構造を提供すると同時に、面積の大きな光学部材を必要とせず、コンパクト且つ安価で、しかも光学性能の良好な個体撮像素子パッケージを提供することを目的とする。

本発明の固体撮像素子パッケージは、開口部底面に撮像素子チップが収納固定された収納容器と、該収納容器の外周縁部上面に載置され、中央に開口部を有するホルダーと、該ホルダーの開口部の内周縁部上面に載置され、前記撮像素子チップの前面を覆う光学部材とが一体的に構成された固体撮像素子パッケージであって、前記収納容器と前記ホルダー及び前記ホルダーと前記光学部材のそれぞれを接着固定してなる密封空間を有し、前記ホルダーの弾性変形により該密封空間の容積を可変としたことを特徴とする。

また、本発明の固体撮像素子パッケージにおいて、前記ホルダーは、前記収納容器と接着される第一の接着領域と、この第一の接着領域の内側に囲まれた前記光学部材を接着する第二の接着領域を備えるとともに、平面視にてこれらの接着領域の間に挟まれる部位を選択的に弾性構造としたことを特徴とする。

また、本発明の固体撮像素子パッケージにおいて、前記ホルダーは、前記収納容器の開口領域内に突出した遮光部を備え、この遮光部において前記光学部材と接着されているとともに、前記遮光部の表面には反射防止処理がなされていることを特徴とする。

また、本発明の固体撮像素子パッケージにおいて、前記遮光部は、前記撮像素子チップと前記光学部材との間に介在し、前記撮像素子チップの不感領域の全部又は一部を固体撮像素子パッケージに入射する入射光束から覆い隠していることを特徴とする。

また、本発明の固体撮像素子パッケージにおいて、前記光学部材は、光学ローパスフィルターであることを特徴とする。

また、本発明の固体撮像素子パッケージにおいて、前記光学部材は位相板、複屈折板及び赤外吸収フィルターのいずれか、またはいずれかの複合体であることを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、環境の温度変化や圧力変化に対して、ホルダーの弾性変形により密閉容器内の体積を変化させることができる。これにより容器内部の圧力と外気圧の差が軽減でき、光学部材や接着部にかかる応力が緩和されることになる。従って、光学ローパスフィルター等の光学部材が割れ難く、且つ剥がれ難い構造とすることが可能となる。

請求項２に記載の発明によれば、高価な光学ローパスフィルターの使用面積を小さくできるため、上述した請求項１記載の発明の効果に加え、安価な個体撮像素子パッケージが実現できる。

請求項３及び請求項４に記載の発明によれば、遮光マスクを撮像素子チップの直前に配置させることにより撮像素子と遮光マスクとの間を狭くすることができる。これにより撮影に不要な光束を効率よく除去でき、撮像素子容器内部で発生するゴースト等の影響がなく、光学性能の良好な個体撮像素子パッケージが実現できる。

請求項５及び請求項６に記載の発明によれば、従来技術で用いていたカバーガラスが不要となるため撮像素子パッケージ全体として小型化できるとともに、光学部材全体が薄くなることにより、非点収差等が軽減でき、光学性能を向上させることができる。

以下、図面に基づき、本発明による固体撮像素子パッケージの好適な実施の形態を説明する。
図１乃至図７は、本発明の実施形態を示している。図１は、本発明の第一の実施形態における個体撮像素子パッケージの平面図である。図２は、図１に示す断面線Ａ−Ａに沿う個体撮像素子パッケージの断面図である。

同図において、Ｌは撮影光軸である。１１はセラミック材料からなる収納容器である。１１ａは収納容器１１の外周縁部上面の接着面である。１２は撮像素子チップであり、収納容器１１の底面に接着等の方法により固着されている。１２ａは撮像素子チップの受光領域である。１２ｂは不感領域であり、ワイヤーボンディング等による画像信号引出し部になっている。１３は端子であり、パッケージ容器１１の内部から外部へと延出されたリードフレームである。１４は金線からなるワイヤーボンディングであり、撮像素子チップ１２の回路と端子１３とを接続している。

１５は撮像素子の感度特性を補正する赤外吸収フィルターである。１６は水晶の単結晶からなる複屈折板であり、被写体像を水平方向に分離させる機能を有している。１７は位相板であり、直線偏光を円偏光へと変換する。実施形態では水晶板を用いている。１８は水晶の単結晶からなる複屈折板であり、被写体像を垂直方向に分離させる。赤外吸収フィルター１５から１８までが積層されて一個の光学ローパスフィルターユニット２０を構成している。

１９は枠体状のホルダーである。ホルダー１９は射出成型可能な樹脂材料により形成されている。１９ａは遮光マスクである。遮光マスク１９ａの表面は、遮光線処理若しくは梨地処理の反射防止処理が施されている。１９ｂは、ホルダー１９の中央部に設けられた開口部であり、撮影に必要な光束を個体撮像素子チップ１２へと導入する開口である。１９ｃは接着領域（第二の接着領域）である。

接着領域１９ｃは開口部１９ｂの内周側上面の全域に渡って形成されており、接着領域１９ｃにおいて、光学ローパスフィルターユニット２０と接着されている。また、遮光マスク１９ａは撮影光束Ｒからワイヤーボンディングや撮像素子の非受光部を覆い隠している。更に、遮光マスク１９ａは収納容器１１の内部のワイヤーボンディング等の反射物の直上に設けられており、ゴースト等、画質悪化の原因となる不要な反射光や入射光を除去・吸収している。

また、ホルダー１９の外周側全域の下面には、収納容器１１の接着面１１ａと接着固定するための接着領域１９ｄ（第一の接着領域）が設けられている。接着領域１９ｄはホルダー１９の外周側下面の全周に渡って形成されている。ホルダー１９の接着領域１９ｃは、接着領域１９ｄとは異なる領域であって、接着領域１９ｄの内側に設けられている。

１９ｅは弾性変形部である。弾性変形部１９ｅは接着領域１９ｄと接着領域１９ｃに挟まれる領域に設けられ、アーチ形状で且つホルダー１９の他の部位（接着領域１９ｃ、１９ｄ）よりも肉薄に形成されており、この領域が選択的に弾性構造を為している。弾性変形部１９ｅは、弾性変形することにより接着領域１９ｄと接着領域１９ｃ間の上下左右の相対変異を許容している。尚、ホルダー１９の樹脂材料は、機械的強度、寸法安定性等を考慮し、ポリフェニレンサルファイド樹脂を使用している。

図３は、図１に示した個体撮像素子を斜め上方から見た斜視図である。同図において、光学ローパスフィルターユニット２０と、ホルダー１９はそれぞれ断面を示している。

図４において、２１は光学ローパスフィルターユニットである。図１及び図２に示す赤外吸収フィルター１５、複屈折板１６、位相板１７の３枚を一体化し、撮像素子に最も近い側の複屈折板１８を別体化し、複屈折板１８のみをホルダー１９と接着した様子を示している。図１及び図２と共通部分は同じ番号で示している。

図５は、図１及び図２に示す個体撮像素子において、ホルダー１９には樹脂材料ではなく金属板を採用している。プレス加工による成型によって弾性変形部分１９ｅの形状を形成している。図１及び図２と共通部分は同じ番号で示している。

上述した構造の個体撮像素子パッケージは接着領域１９ｄに対して、その内周側の狭い範囲に接着領域１９ｃを設けているいる。接着領域１９ｃに接着される光学ローパスフィルターユニット２７に必要とされる面積は、収納容器１１の開口領域よりも狭い面積で足りることになり、高価な材料である光学ローパスフィルターユニットの使用量を節約することができる。

図６は、本発明における個体撮像素子パッケージと撮影レンズとの関係を示す図である。同図において、Ｌは撮影レンズである。Ｘは撮影光軸である。Ｒ１，Ｒ２は撮像素子チップ１２に入射する光束のうち最外周の光束を示している。光線Ｒ１，Ｒ２は、遮光マスク１９ａの開口部１９ｂにより不要光束部分が遮光され、必要な撮影光束のみが撮像素子１２へと通過される。Ｒ３，Ｒ４は斜め方向から個体撮像素子パッケージ内に入射してくる光線であり、撮影光以外の不要な光線を示している。なお、光線Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４は、既に説明したもの（図８）と実質的に同じものである。

光線Ｒ３は光学ローパスフィルター２０を通して、個体撮像素子パッケージ内部に入射するため、金線によるワイヤーボンディング１４で反射し、その反射光は遮光マスク１９ａに照射される。この場合、遮光マスク１９ａは反射防止処理がされているため、これ以上は反射せず撮像素子チップ１２への影響が防止できる。また、光線Ｒ４は直接ワイヤーボンディングへと向かう光線であるが、遮光マスク１９ａがワイヤーボンディング１４の直上に配置され覆い隠している。これにより光線Ｒ４は、遮光マスク１９ａによって直接遮光することができる。従って、本発明による個体撮像素子パッケージの構造により、撮影光以外の不要な光線を除去することができ、光学性能、画像性能を良好なものにすることができる。

図７は個体撮像素子パッケージ内部の容積が変化した状態を示している。図中Iの状態、即ち撮影光軸Ｘに対し左側の状態は、高温環境下、又は標高の高い場所や飛行中の航空機内等の気圧の低い環境下における個体撮像素子パッケージの状態を示している。このような環境下においては、外気圧が個体撮像素子パッケージ容器内部の気圧に対して相対的に低くなるため、容器内部の密閉空間は膨張しようとする。一方、IIの状態、即ち撮影光軸Ｘに対し右側の状態は、低温環境下におけるを個体撮像素子パッケージの状態を示している。このような環境下においては、外気圧が容器内部の気圧に対して相対的に高くなるため、容器内部の密閉空間は収縮しようとする。

このように個体撮像素子パッケージは、常に加圧と減圧が繰り返されることになる。しかし、密閉空間の容積が増減し外気圧とのバランスを保つべく弾性変形部１９ｅが弾性変形する。これにより光学ローパスフィルターユニットは上下に移動し、光学ローパスフィルターユニットにかかる応力を軽減している。

更に、環境温度の変化によって、収納容器と光学ローパスフィルターユニットはそれぞれ熱膨張率が異なるため、水平方向への相対移動も生ずることになる。しかし、弾性変形部１９ｅが弾性変形することにより収納容器と光学ローパスフィルターユニットの水平方向の寸法変化が吸収できるため、接着領域１９ｃ、１９ｄにかかる応力が軽減される。従って、光学ローパスフィルター等の高価な光学部材が環境変化により割れたり、剥がれたりする事故をなくすることができる。

本発明の第一の実施形態における個体撮像素子パッケージの構造を示す平面図である。 本発明の第一の実施形態における個体撮像素子パッケージの構造を示す図１のＡ−Ａに沿う断面図である。 本発明の第一の実施形態における個体撮像素子パッケージの構造を示す斜視図である。 本発明の第二の実施形態における個体撮像素子パッケージの構造を示す断面図である。 本発明の第三の実施形態における個体撮像素子パッケージの構造を示す断面図である。 本発明における個体撮像素子パッケージと撮影レンズの配置例を示す斜視図である。 本発明における個体撮像素子パッケージの密封空間の容積の変化を示す図である。 従来例における個体撮像素子パッケージの構造を示す断面図である。 収差を説明するための図である。

符号の説明

１１ 収納容器、１１ａ 収納容器の外周縁部上面、１２ 撮像素子チップ、１２ａ 撮像素子チップの受光領域、１２ｂ 撮像素子チップの不感領域、１３ 端子、１４ ワイヤーボンディング、１５ 赤外吸収フィルター、１６，１８ 水晶の単結晶からなる複屈折板、１７ 位相板、１９ ホルダー、１９ａ 遮光マスク、１９ｂ 開口部、１９ｃ 第二の接着領域、１９ｄ 第一の接着領域、１９ｅ 弾性変形部、２０，２１ 光学ローパスフルターユニット、Ｌ 撮影レンズ、Ｘ 撮影光軸、Ｆ 光学部材、Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，ｒ１，ｒ２，ｒ３ 撮影光束、Ｐ 焦点面。

Claims (6)

1. 開口部底面に撮像素子チップが収納固定された収納容器と、該収納容器の外周縁部上面に載置され、中央に開口部を有するホルダーと、該ホルダーの開口部の内周縁部上面に載置され、前記撮像素子チップの前面を覆う光学部材とが一体的に構成された固体撮像素子パッケージであって、
   前記収納容器と前記ホルダー及び前記ホルダーと前記光学部材のそれぞれを接着固定してなる密封空間を有し、前記ホルダーの弾性変形により該密封空間の容積を可変としたことを特徴とする固体撮像素子パッケージ。
2. 前記ホルダーは、前記収納容器と接着される第一の接着領域と、この第一の接着領域の内側に囲まれた前記光学部材を接着する第二の接着領域を備えるとともに、平面視にてこれらの接着領域の間に挟まれる部位を選択的に弾性構造としたことを特徴とする請求項１に記載の個体撮像素子パッケージ。
3. 前記ホルダーは、前記収納容器の開口領域内に突出した遮光部を備え、この遮光部において前記光学部材と接着されているとともに、前記遮光部の表面には反射防止処理がなされていることを特徴とする請求項１または２に記載の固体撮像素子パッケージ。
4. 前記遮光部は、前記撮像素子チップと前記光学部材との間に介在し、前記撮像素子チップの不感領域の全部又は一部を固体撮像素子パッケージに入射する入射光束から覆い隠していることを特徴とする請求項３に記載の固体撮像素子パッケージ。
5. 前記光学部材は、光学ローパスフィルターであることを特徴とする請求項１または２に記載の固体撮像素子パッケージ。
6. 前記光学部材は位相板、複屈折板及び赤外吸収フィルターのいずれか、またはいずれかの複合体であることを特徴とする請求項５に記載の固体撮像素子パッケージ。

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