JP2007195167A - イメージセンサモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】モジュール化された部品の大小サイズを効果的に制御し、高精度な結像制御を行うことができるイメージセンサモジュールを提供する。
【解決手段】イメージセンサチップ３は、分割エリア３０２が画像キャプチャエリア３０１の外側を取り巻くように分布している。レンズユニット３２は、イメージセンサチップ３上に設けられ、光学レンズ３２１と透明基板３２０とを有する。各光学レンズ３２１は光学的ピント合わせの結像効果を有し、透明基板３２０上に設けられている。接合層３３は、複数のスペーサ３１０と粘着性を備える液体としてなる接着物３１１を有し、分割エリア３０２に対応して設置されている。スペーサ３１０の高さは接合層３３の高さとなり、接着物３１１はイメージセンサチップ３とレンズユニット３２との間に設けられている。
【選択図】図４

Description

本発明は、イメージセンサモジュールに関し、特に、高精度に結像制御を行うためのイメージセンサモジュールについて示す。

通常、イメージセンサモジュールは、携帯電話、ＰＤＡ等、携帯型電子製品のカメラに用いられる。主に集積回路を用いたイメージセンサプロセシング技術によって生み出されたセンサチップを組合せ、レンズユニットを架設して作り上げられたモジュール部品であり、レンズユニットがセンサチップ上でピントを合わせて結像してセンサチップの回路動作に合う時、画像を正確に取込み、前記電子製品に保存することができる。レンズユニットによる結像のためのピント合わせ効果は画像取込みの品質決定のキーポイントであり、レンズユニット組立のモジュールプロセスにおいて、精確度を制御できず、画像取込みがアウトフォーカス（out-of-focus）状態を呈すると、画像の品質は低下する。

図１に示すイメージセンサモジュール１は、固定構造１０、センサチップ１１およびレンズユニット１２を含むレンズピント合わせ位置の調整機能を備える。センサチップ１１は固定構造１０内に設けられ、撮像素子１１０は画像を結像する場所である。固定構造１０には透明基板１０１およびねじ山状の内壁１０２を設け、透明基板１０１と内壁１０２から構成される収容スペースはレンズユニット１２を設置するために用いられる。結像レンズ１２０はレンズユニット１２に固定して設けられ、その周囲を取り巻くのは前記内壁１０２と相対して吻合するねじ環１２１である。よって、内壁１０２の最適位置でねじ環１２１を調整するため、レンズユニット１２の回転を利用し、モジュールプロセスで生み出された光学収差を制御し、レンズ１２０の結像のために撮像素子１１０上で精確にピント合わせを行えるようにする。しかしながら、回転して位置合わせを行う調整プロセスにおいて、前記固定構造１０では材料間の摩擦によるマイクロ粒子の剥げ落ちを避けることが難しく、粒子が砕けて透明基板１０１に落ちてしまった場合、必要のない不純物を光学結像の途において生み出し、画像品質を低下させることになる。また、固定構造１０の内壁１０２はレンズユニット１２が回転して縦方向の空間幅の調整を行えるようにするため、その高さが相当な空間を占めることになり、前記イメージセンサモジュール１の全体的空間効果は小型化へと進む携帯型電子製品のニーズにマッチし難いものである。

一方、図２は、ウエハー製造プロセスにより積載された画像モジュール２を示し、順に積み重ねられたシリコンウエハー２１と、第１スペースウエハー層２２と、第１カバーウエハー層２３と、第１レンズウエハーユニット２４と、第２スペースウエハー層２５と、第２レンズウエハーユニット２６と、第３スペースウエハー層２７と、第２カバーウエハー層２８とを有する。スペースウエハー層２２、スペースウエハー層２５、スペースウエハー層２７は透明ガラス材料製であり、レンズウエハーユニット２４、レンズウエハーユニット２６の最適な光学位置に基づき特定の高さに到達するまで研磨艶出のプロセシングが行われ、光学結像がシリコンウエハー２１上で精確にピント合わせを行えるように効果的な結像光路の開口がエッチングされる。各ウエハー製造プロセスの層を積載した後、図３に示すモジュール部品２０のように分割し、上述の各ウエハー製造プロセスのセンサチップ２１０、第１スペーサ材２２０、第１カバー層２３０、第１レンズユニット２４０、第２スペーサ材２５０、第２レンズユニット２６０、第３スペーサ材２７０および第２カバー層２８０へ順に対応させる。上述した各部材間は各ウエハー製造プロセスを相互に接合させるための接合層２００を有し、通常は粘着性を備えた樹脂材料としてなる。各ウエハーは互いにぴったりと合わさり、熱加工プロセスによって各接合層２００は硬化される。レンズユニット２４０、レンズユニット２６０のピント合わせがセンサチップ２１０上の結像光路で行われると同時に、スペーサ材２２０、スペーサ材２５０の厚さとセンサチップ２１０から第２レンズユニット２６０間までの各接合層２００の膜厚が制御されるが、実際は各スペーサ材２２０、スペーサ材２５０、スペーサ材２７０のガラス材料の研磨厚は常に５％近くの誤差を有するだけでなく、各接合層２００の樹脂材料の膜厚はさらに２０％を超える誤差を有するものとなる。ゆえに、多層の製造プロセスにおいて常に誤差が生み出される要素の下、レンズユニット２４０、レンズユニット２６０はセンサチップ２１０上で正確に結像させるためのピント合わせを制御することができず、同様にモジュール部品２０の結像品質を低下させるものとなる。

本発明の主な目的は、小型化へと進む携帯型電子製品に応用するため、ウエハーレベルのレンズユニット構造によりモジュール化された部品の大小サイズを効果的に制御する高精度な結像制御を行うためのイメージセンサモジュールを提供することである。
本発明のもう一つの主な目的は、光学モジュールプロセシングの製造プロセスにおける誤差を低減し、取り込まれた画像を最も優れた品質で得られるようにする高精度な結像制御を行うためのイメージセンサモジュールを提供することである。

前掲の目的を達成するため、本発明が提供するイメージセンサモジュールは、イメージセンサチップ、少なくとも一つのレンズユニットおよび少なくとも一つの接合層を含む。前記イメージセンサチップは、画像キャプチャエリアと分割エリアに区分される。前記画像キャプチャエリアは、撮像素子を有し、レンズユニットの結像焦点距離を感知して画像を取り込むために用いられる。少なくとも一つの前記レンズユニットは、前記イメージセンサチップに設けられ、前記各レンズユニットは少なくとも一つの光学レンズおよび透明基板を有する。前記各光学レンズは、前記画像キャプチャエリアに対応して透明基板に設けられる。前記透明基板は、良好な透光性を有し、光線を透過することができる。少なくとも一つの前記接合層は、前記分割エリアに対応して設置される。前記接合層は、複数のスペーサと接着物によって混成され、該接着物は粘着性を備えた液体である。前記スペーサは、適度な硬さを備える材料により製造された特定形状の構造粒子である。単一の前記接合層がドープする各スペーサは、全て同一の高さを有し、選択された特定サイズのスペーサにより前記各接合層の高さを制御することができる。前記接合層は、イメージセンサチップと前記レンズユニットとの間に設けられる。

以下、本発明の組成構造と効果をより詳細に説明するため、図面と複数のより好ましい実施の形態を合わせて用いる。使用する図面についての簡単な説明は以下のとおりである。
図４は、本発明の第一実施例によるイメージセンサモジュールの構造を示す模式図である。
図５は、本発明の第二実施例によるイメージセンサモジュールの構造を示す模式図である。

図４が示す本発明の第一実施例によるイメージセンサモジュール３は、ウエハーレベルのモジュールプロセスを経て分割された後のモジュール部品であり、下方より上方へと順に重ねられたイメージセンサチップ３０と、レンズユニット３２と、スペース層３４と、カバー層３６と、上述の各部品間に順に設けられた複数の接合層３１、接合層３３、接合層３５とを含む。

前記イメージセンサチップ３０は、相捕型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳイメージセンサ：ＣＭＯＳ Image Sensor、ＣＩＳ）の製造技術により生み出されたものであり、画像キャプチャエリア３０１と分割エリア３０２に区分することができる。分割エリア３０２は画像キャプチャエリア３０１の外側を取り巻くように分布し、画像キャプチャエリア３０１は画像を感知して取り込むために用いられる撮像素子３００を有する。

前記レンズユニット３２は、透明基板３２０と透明基板３２０に設置されたレンズ３２１とを有する。前記透明基板３２０は、結像品質を維持するため、光線を透過して光学干渉を生じさせないために用いられる。前記レンズ３２１の組合せ結像位置は、前記撮像素子３００上に位置する。
前記スペース層３４は、前記イメージセンサチップ３０の分割エリア３０２に対応して設置され、従来と同様に特定の厚さに基づき研磨艶出されたガラス材質により製造される。
前記カバー層３６は、前記イメージセンサモジュール３の最上層に設けられる。同じく光線を正方向に透過させるための透明基板としてなることが可能であり、さらに、前記イメージセンサモジュール３の品質保護を確保するため、下方のレンズユニット３２を保護し、環境汚染を受けないようにするために用いられる。

前記接合層３１、接合層３３、接合層３５は前記イメージセンサチップ３０の分割エリア３０２に対応して設置され、レンズユニット３２とスペース層３４の製造プロセスでの最終的な実際の厚さに基づき各接合層３１、接合層３３、接合層３５を設置するために必要な厚さの条件を提供する。第１接合層３１は、前記イメージセンサチップ３０と前記レンズユニット３２の接着物を接合するために用いられ、複数のスペーサ３１０と接着物３１１により組成される。各スペーサ３１０は、熱溶解した二酸化ケイ素物質より製造された球形ガラス粒子であり、プロセシングの精度において１％程度の誤差で粒子の直径を制御することができる。前記接着物３１１は粘着性の液体で、前記スペーサ３１０と接着物３１１との混合密度は１：５０の容積比に近い。前記第２接合層３３および第３接合層３５は第１接合層３１の組成材料と同一で、各特定のサイズおよび混成密度の複数のスペーサ３３０、スペーサ３５０を有し、前記レンズユニット３２とスペース層３４および前記スペース層３４と前記カバー層３６とをそれぞれ接合するために用いられる。

よって、前記イメージセンサモジュール３の組立プロセスにおいて、前記接合層３１は同時に前記イメージセンサチップ３０および前記レンズユニット３２に挟まれた箇所に置かれ、前記円形顆粒構造のスペーサ３１０は接合層３１で限りなく少ない空間体積を占有するのみとなり、その大部分は液状の前記接着物３１１となる。接合層３１が相反する方向よりやって来る正方向の力を受ける時、近接する前記各スペーサ３１０は互いに圧迫し合い、各最小ポテンシャルエネルギーを駆動させ、同一のポテンシャルエネルギー平面上に分布させる。さらに、前記接着物３１１は各スペーサ３１０との間まで流れ出し、前記イメージセンサチップ３０およびレンズユニット３２と各スペーサ３１０との間は点で接触するパターンとなる。前記イメージセンサチップ３０とレンズユニット３２は前記接着物３１１により互いに接合し、最後に前記接合層３１の高さを各スペーサ３１０の厚さとなるようにする。よって、ひとたび前記レンズ３２１の光学結像規格を確定すれば、接合層３１の厚さを決定し、結像光路が前記撮像素子３００上で確実にピント合わせをするための最適なサイズのスペーサ３１０を選択して用いることが可能である。同様に、前記第２接合層３３および第３接合層３５はそれぞれ複数のスペーサ３３０、スペーサ３５０により前記レンズユニット３２と前記スペース層３４および前記スペース層３４と前記カバー層３６との間の組合せの厚さを制御するためのものとなるため、前記スペース層３４は機械研磨の方法による最終製造プロセスの厚さに関わらず、前記二つの接合層３３、接合層３５は共に正確なスペーサ３３０、スペーサ３５０のサイズを用い、製造プロセスにおける収差を補正することができる。しかしながら、本実施例では、特別に各接合層のスペーサ密度を精確に制御する必要はなく、同一接合層のスペーサの相互間でスムーズに同一のポテンシャルエネルギー平面上に平均して分布されるように維持するだけで、応力を引き受けるに足り、下方層の構造より加えられる作用力によって破壊されるには至らない。即ち、精確に接合層の厚さを掌握して制御し、実験的にスペーサの最適なドープ密度が１％から１０％の間で全て同等の効果を有するようにすることができる。また、本実施例が提供するスペーサの材料は二酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）またはポリスチレン等より選択される材料によって製造され、目下、有するところの構造タイプは日本積水化学工業（Sekisui Chemical Co., LTD）が微粒子技術を利用して開発したミクロパール（Micropearl）ＳＩ−Ｈまたはグラスファイバー（Glass-Fiber）等の材料の各種サイズ規格である。もちろん、スペーサが円柱状材料としてなるグラスファイバーを使用する場合、各スペーサは柱軸方向の円周の長辺と上下層構造とが相互に接触し、線で接触するパターンとなる。

前記イメージセンサチップ３０および前記レンズユニット３２との間にはより大きな空間を残しておく必要があり、第１接合層３１内のスペーサ３１０のサイズを増加させる以外にも前記二つの接合層３３、接合層３５をスペース層３４の間に挟むように設ける構造に取って代えることもできる。同様に、前記レンズ３２１の光学結像が前記撮像素子３００上で正確にピント合わせを行えるように制御することも可能である。イメージセンサチップ３０より上方に向かって積み重ねられたレンズユニット層に至っては、単層に限られるものとはせず、多層の構造が必要な場合には、スペース層を各レンズユニット間に同様に設け、全てが接合層によって相互に重なり合うように設置して接合させることができる。

この他、取り上げるに値するのは、上述した本来は一層のスペース層および二つの接合層によってレンズユニットと上層構造とを隔てる作用としてなるものを、直接一層の接合層により取って代えることができるという点である。図５に示す本発明の第二実施例によるイメージセンサモジュール４は、下方から上方へと順に積載されたチップモジュール４０と、第１レンズユニット４４と、第２レンズユニット４６と、前記カバー層３６と、上述した各部品間に順に設けられた接合層４３、接合層４５、接合層４７とを有する。

前記チップモジュール４０は、イメージセンサチップ４００と、接合層４１と、透明板４２による組立モジュールである。透明板４２は、良好な透光性を備え、前記接合層４１により前記イメージセンサチップ４００を緊密にカバーし、前記チップモジュール４０内の各部品の品質を維持し、汚染を受けないようにすることができる。イメージセンサチップ４００は、同様にＣＩＳの集積回路の製造プロセシング技術によるものであり、画像キャプチャエリア４０１とその周囲の分割エリア４０２に区分される。画像キャプチャエリア４０１にはマイクロレンズアレイ４０３を設け、分割エリア４０２には前記接合層４１を設ける。マイクロレンズアレイ４０３はイメージセンサチップ４００の受光効果を増加させるため、前記二つのレンズユニット４４、レンズユニット４６が画像キャプチャエリア４０１上でピントを合わせて結像したものを精確に受け取ることができる。

前記レンズユニット４４、レンズユニット４６は、前記透明基板３２０および各透明基板上にそれぞれ設けられた第１レンズ４４１と第２レンズ４６１を有し、広視角および高画質等の極めて優れた光学画像効果を同時に前記イメージセンサモジュール４に備えさせることができる。
前記接合層４１、接合層４３、接合層４５、接合層４７は、共に前記イメージセンサチップ４００の分割エリア４０２に対応して設置される。前記レンズ４０３、レンズ４４１、レンズ４６１の光学ピント合わせ位置の組合せに基づきそれぞれ設置する必要のある厚さの条件が提供され、上述した第一実施例における接合層３１の材料特性と同一である。特定サイズに対応する複数のスペーサ４１０、スペーサ４３０、スペーサ４５０、スペーサ４７０をそれぞれ有し、前記スペーサ４１０、スペーサ４３０、スペーサ４５０、スペーサ４７０の材料種類およびドープ濃度は上述の実施例と同一の応用を有するため、ここでは再述しない。

本実施例が提供するイメージセンサモジュール４は、スペーサ４１０、スペーサ４３０、スペーサ４５０、スペーサ４７０の特定されたサイズと大きさにより、それぞれ前記チップモジュール４０と前記第１レンズユニット４４と、前記第１レンズユニット４４と前記第２レンズユニット４６および前記第２レンズユニット４６と前記カバー層３６との間の距離を直接制御するため、従来または上述の第一実施例で使用するスペース層３４のガラス材料を必要とすることなく、ガラス材料を用いる際のカッティング、研磨、エッチング等の製造プロセスに費やされる時間を減少することができる。特に、単層ではないレンズ構造の組合せに対して良好な厚さを有する接合層４１、接合層４３、接合層４５、接合層４７を全てのレンズユニット４４、レンズユニット４６に直接用い、各レンズ４０３、レンズ４４１、レンズ４６１の光学結像効果が前記イメージセンサチップ４００上でより精確にピント合わせを行えるものとなるようにすることができる。
以上に述べたのは、本発明がより良く行われるための実施の形態にすぎない。よって、およそ本発明の明細書および請求の範囲を応用することにより為された同等の構造または変化は本発明の特許請求の範囲内に含まれるものとする。

従来のイメージセンサモジュールの構造を示す模式図である。 従来の画像モジュールを示す模式図である。 従来の画像モジュールの単一モジュール部品の構造を示す模式図である。 本発明の第一実施例によるイメージセンサモジュールの構造を示す模式図である。 本発明の第二実施例によるイメージセンサモジュールの構造を示す模式図である。

符号の説明

３：イメージセンサモジュール、４：イメージセンサモジュール、３０：イメージセンサチップ、３１：接合層、３２：レンズユニット、３３：接合層、３４：スペース層、３５：接合層、３６：カバー層、４０：チップモジュール、４１：接合層、４２：透明板、４３：接合層、４４：第１レンズユニット、４５：接合層、４６：第２レンズユニット、４７：接合層、３００：撮像素子、３０１：画像キャプチャエリア、３０２分割エリア、３１０：スペーサ、３１１：接着物、３２０：透明基板、３２１：レンズ、３３０：スペーサ、３５０：スペーサ、４００：イメージセンサチップ、４０１：画像キャプチャエリア、４０２：分割エリア、４０３：マイクロレンズアレイ、４１０：スペーサ、４３０：スペーサ、４４１：第１レンズ、４５０：スペーサ、４６１：第２レンズ、４７０：スペーサ

Claims (13)

1. 高精度に結像制御を行うためのイメージセンサモジュールにおいて、
   画像キャプチャエリアと分割エリアに区分され、前記分割エリアが前記画像キャプチャエリアの外側を取り巻くように分布しているイメージセンサチップと、
   前記イメージセンサチップ上に少なくとも一つ設けられ、少なくとも一つの光学レンズと透明基板とを有し、前記各光学レンズは光学的ピント合わせの結像効果を有し、前記画像キャプチャエリアに対応して良好な透光性を有する透明基板上に設けられているレンズユニットと、
   複数のスペーサと粘着性を有する液体としてなる接着物を有し、前記分割エリアに対応して少なくとも一つ設置され、高さが前記各スペーサの高さと一致し、前記接着物は前記イメージセンサチップと前記レンズユニットとの間に設けられている接合層と、
   を備えることを特徴とするイメージセンサモジュール。
2. スペース層が設けられている前記レンズユニットは、前記分割エリアに対応して設置され、特定の厚さのガラス材質によって製造されていることを特徴とする請求項１記載のイメージセンサモジュール。
3. 前記スペース層と前記レンズユニットの透明基板との間は、一つの層によって前記接合層と互いに接合することを特徴とする請求項２記載のイメージセンサモジュール。
4. 前記レンズユニットと前記イメージセンサチップとの間には前記スペース層が設けられ、前記スペース層は前記二つの接合層によってそれぞれ前記レンズユニットおよび前記イメージセンサチップと互いに接合することを特徴とする請求項２記載のイメージセンサモジュール。
5. 前記イメージセンサチップ上にはマイクロレンズアレイが設けられ、前記各レンズユニットの光学レンズと組合せられ、前記イメージセンサチップ上でピントを合わせて結像させることを特徴とする請求項１記載のイメージセンサモジュール。
6. 前記マイクロレンズアレイ上には良好な透光性を備える透明板が設けられ、前記透明板は前記二つの接合層によってそれぞれ前記レンズユニットおよび前記イメージセンサチップと互いに接合することを特徴とする請求項５記載のイメージセンサモジュール。
7. 複数の前記イメージセンサチップ上に順に重ねて設けられている前記レンズユニットを有し、前記各レンズユニット間には少なくとも一つの前記接合層が設置されていることを特徴とする請求項１記載のイメージセンサモジュール。
8. 前記各レンズユニットの透明基板間は、一つの層により前記接合層と互いに接合することを特徴とする請求項７記載のイメージセンサモジュール。
9. 前記各接合層のスペーサと接着物との混合容積比は、１：１０から１：１００の間であることを特徴とする請求項１記載のイメージセンサモジュール。
10. 前記各スペーサは、円形顆粒の構造としてなり、前記接合層と相互接触する構造は前記接合層との相互接触の構造を点によって前記スペーサと互いに接触するパターンとすることを特徴とする請求項１記載のイメージセンサモジュール。
11. 前記各スペーサは、円柱状のグラスファイバー材料構造としてなり、前記接合層と相互接触する構造は前記接合層との相互接触の構造を線によって前記スペーサと互いに接触することを特徴とする請求項１記載のイメージセンサモジュール。
12. 前記スペーサは、二酸化ケイ素、炭化ケイ素またはポリスチレンより選択された材料によって製造されていることを特徴とする請求項１記載のイメージセンサモジュール。
13. 前記イメージセンサチップは、固体撮像素子の集積回路の製造プロセシング技術により形成されていることを特徴とする請求項１記載のイメージセンサモジュール。

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