JP2008141037A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】固体撮像素子の受光部を覆うカバーの結露を効果的に防止する固体撮像装置を提供することを目的とする。
【解決手段】内視鏡などの撮影機構に設けられた回路基板に取り付けられた固体撮像装置１は、電源の投入とともに導電薄膜５に通電されてガラス基板３の加熱が開始される。ガラス基板３は、すぐに全体が暖められて、人の体内のような高温多湿な環境で使用しても、内外の温度差が発生しないため結露を生じることがない。したがって、固体撮像素子２は受光エリア２ａにレンズを介して入射する被写体光を正常に電気信号に変換して、この信号を配線パタン８及び端子６ｂから機器内部の信号処理部へ出力することができる。このため、撮像によって得られる画像が結露により異常になることはない。
【選択図】図１

Description

本発明は、結露を防止する機能を有する固体撮像装置に関する。

ＣＣＤやＣＭＯＳセンサ等の固体撮像装置は、デジタルカメラやビデオカメラ等の一般家電製品をはじめ、内視鏡のような特殊な環境で使用されるものにも組み込まれて、広く普及している。この固体撮像装置は、固体撮像素子もしくはその受光部のみをカバープレート等で覆って気密封止した構造を備えている。このため、例えば内視鏡に組み込まれて使用される場合、高温多湿な人の体腔内に挿入された際に急激な温度上昇により固体撮像装置が暖められ、カバープレート内部との温度差が生じ、カバープレートが結露しやすいという問題が存在する。

この問題に対して、内視鏡内部に取り付けた固体撮像装置とレンズなどの対物光学系の間に接続されたプリズムにヒーターを取り付けて、プリズムを介して固体撮像装置のカバープレートを加熱することで結露を防止する方法が提案されている（特願２００５−２８２０４６）。また、固体撮像装置だけに限られず、内視鏡に取り付けたレンズの結露防止方法についても提案されている。特許文献１では、内視鏡の先端カバーガラスまたはレンズに親水性表面処理を施すとともに、ヒーターと光吸収体を使用してレンズ保持枠を加熱することで結露を防止する方法が提案されている。また、特許文献２では、内視鏡の光源からの光を光ファイバーにより先端部へ導いた上で、先端に備えたカバーガラスを通して対象物に照射し、カバーガラスが熱線を吸収して加熱されることで結露を防止する方法が提案されている。
特開２００６−２８２号公報 特開平９−１７３２８２号公報

しかしながら、上記の何れの方法においても、結露を防止する対象部分を間接的に加熱しているため、効果が現れるまで時間がかかってしまう。したがって、該対象部分が完全に暖まる前に結露してしまう場合も考えられるために実用的とは言いがたい。

本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、固体撮像素子の受光部を覆うカバーの結露を効果的に防止する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に、本発明に係る固体撮像装置では、配線パタンが形成された透明なガラス基板に、固体撮像素子を、その受光部が前記ガラス基板と対向するようにフリップチップ実装し、前記受光部と前記ガラス基板の間を中空状態に維持したまま、前記ガラス基板と固体撮像素子との間に樹脂を充填して気密封止した上で、前記ガラス基板に透明な導電薄膜を形成し、この導電薄膜に通電して前記ガラス基板を加熱する。ここで、前記導電薄膜を前記ガラス基板の前記固体撮像素子との対向面に形成するとともに、前記導電薄膜を通電するために導電薄膜の一部に形成された端子部分と、前記配線パタンの一部に形成され前記固体撮像素子を外部と電気的に接続するための接続端子とを前記ガラス基板の前記固体撮像素子との対向面に配置してもよい。

さらに、前記固体撮像装置において、前記導電薄膜と前記配線パタンとを同じ材料で形成してもよい。この場合、導電薄膜には前記端子部分を形成せずに、前記固体撮像素子に電力を供給する配線パタンに接続して通電されるようにしてもよい。

また、固体撮像素子を実装したパッケージに前記固体撮像素子の受光部と対向するように透明なカバープレートを接着し、前記パッケージと前記カバープレートとの間に固体撮像素子を気密封止した固体撮像装置においては、前記カバープレートに透明な導電薄膜を形成し、この導電薄膜に通電して前記カバープレートを加熱する。ここで、前記導電薄膜を前記カバープレートの下面に形成するとともに、前記固体撮像素子と前記導電薄膜をそれぞれ外部と電気的に接続するための接続端子を前記パッケージの下面に配置してもよい。

前記固体撮像装置の何れにおいても、前記導電薄膜は、例えば温度などの外部の使用環境等にあわせて、前記受光部を覆うように形成してもよく、さらに、その中に複数のスリットを設けても良い。

固体撮像素子の受光部分を覆うカバーを通電により直接加熱するために即効性が非常に高く、効果的に結露を防止することができる。さらに、導電薄膜の接続端子が固体撮像素子の接続端子と同様に設けてあるために、導電薄膜を通電するための特別な接続手段を外部に設ける必要がなく、装置を取り付ける際に固体撮像素子と導電薄膜を一度に外部と電気的に接続できて取り付けが簡易である。さらに、前記導電薄膜は、任意の形状及び面積に形成することで外部の温度条件等に柔軟に対応することができる。

図１及び図２のように、本発明に係る固体撮像装置１は、所定の配線パタン８を有するガラス基板３に、ＣＣＤやＣＭＯＳセンサなどの固体撮像素子２を実装する、いわゆるＣＯＧ（Ｃｈｉｐ Ｏｎ Ｇｌａｓｓ）といわれる実装技術が適用されている。ＣＯＧは、ガラス基板上に直接半導体チップを実装する技術で装置の小型化を実現し、近年では液晶画面を持つ携帯電話やＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｄａｔａ Ａｓｓｉｓｔａｎｃｅ）等に用いられている。ＣＯＧを適用する際、固体撮像素子２は、ガラス基板３にフリップチップ実装といわれる技術により実装されている。このフリップチップ実装は、固体撮像素子２の能動面、つまり受光エリア２ａが設けられた面を基板面に向けた状態で実装する技術である。この場合、固体撮像素子２にはボールバンプ２ｃと呼ばれる突起状電極が設けられており基板の配線パタン８と電気的に接続される。このような実装技術を固体撮像装置に適用することで、パッケージングしてＬＳＩにする必要がなくなり、高密度実装が可能となる。

固体撮像素子２の受光エリア２ａが設けられた面（以降、上面とする。）の両端には、金で形成された略球形状のボールバンプ２ｃが配列されている。各ボールバンプ２ｃは、インジウム系の半田等によりガラス基板３の固体撮像素子２との対向面（以降、下面とする。）に設けられた端子６ａにそれぞれ接続されている。また、紫外線硬化性樹脂４は、この接続部分をそれぞれ覆い、固体撮像素子２の上面の周縁に沿うように、ガラス基板３と固体撮像素子２との隙間を充填している。これにより、固体撮像素子２をガラス基板３に接着固定するとともに、マイクロレンズ２ｂを有する受光エリア２ａとガラス基板３の間を中空状態に維持したまま気密封止している。このように受光エリア２ａをキャビティ封止することで、固体撮像装置１の受光性能を維持することができる。なお、紫外線硬化性樹脂４の代わりに熱硬化性樹脂などの他の樹脂を用いてもよい。

マイクロレンズ２ｂは、受光エリア２ａ内に複数個配列されており、固体撮像素子２の受光部である。したがって、ここに撮像レンズ（図示せず）を介して被写体光が入射し、固体撮像素子２により電気的な画像情報の信号に変換されてボールバンプ２ｃより出力される。この信号は端子６ａ、６ｂ及び配線パタン８を介して外部へ出力される。配線パタン８は、両端の端子６ａ、６ｂとともに、アルミニウムや金などの合金でガラス基板３の下面に形成されている。端子６ａは、固体撮像素子２と電気的に接続するための接続端子であり、固体撮像素子２の電極であるボールバンプ２ｃと接続するように配置をあわせて設けられている。端子６ｂは、外部と電気的に接続するための接続端子であり、後述する導電薄膜５の端子部分７とともにガラス基板３の両端に配置されている。固体撮像素子２は、この端子６ｂを介して外部より駆動電力の供給を受け、あるいは上記画像情報の信号を外部へ出力したりする。

受光エリア２ａの上方に位置するガラス基板３の下面には、この受光エリア２ａを覆う程度の面積を有した、略四角形状の無色透明な導電薄膜５がスパッタにより形成されている。導電薄膜５には、ガラス基板３下面の対角をなす位置にそれぞれ端子部分７が形成されている。この端子部分７は外部と電気的に接続するための接続端子であり、ここから通電できるようになっている。導電薄膜５は、通電によりジュール熱を発生し、ガラス基板３を直接加熱することができるので、ガラス基板３を素早く暖めて結露を効果的に防ぐことができる。なお、導電薄膜５の形状及び面積は、外部の使用環境等にあわせて適宜決定することができる。例えば、あまり高い温度環境で使用しない場合は、図３の実施形態における固体撮像素子１０のように、導電薄膜９を図１で示した導電薄膜５に複数のスリット２３を設けた形状に形成し、ガラス基板３の温度があまり高くならないようにすることができる。この場合は、ゴーストの写りこみなど、受光エリア２ａに入射する被写体光に影響しないように、スリット２３間の幅を５μｍ以下にするのが望ましい。

この導電薄膜５、９の材料としては、酸化インジウム系、酸化スズ系、酸化亜鉛系が適用可能であるが、受光エリア２ａに被写体光を充分に入射させるためには、特に、波長４００〜７００ｎｍの帯域で光透過率が８０％以上の性質を有するものが望ましい。なお、導電薄膜５、９の材料を配線パタン８と同じにして生産工程のコストダウンをはかってもよい。さらにこの場合、固体撮像素子２に駆動電力を供給する配線パタン８と導電薄膜５、９とを電気的に接続して共通の電源ラインとすれば、導電薄膜５、９の接続端子である端子部分７を形成する必要がなくなる。

また、ガラス基板３の下面の両端には、固体撮像素子２の端子６ｂと導電薄膜５、９の端子７がそれぞれ一列に配置されている。したがって、固体撮像装置１を内視鏡などに取り付ける際、この配置に対応する端子配置を備えた外部の回路基板と該端子において半田付け等の手段で接続するだけで、固体撮像素子２と導電薄膜５、９とを一度に外部と電気的に接続することができる。このため、あえて導電薄膜５、９だけを通電するための特別な接続手段を外部に設ける必要がなく、固体撮像装置１の取り付けが容易である。なお、このような効果を得る必要がなければ、導電薄膜５は、本実施形態に関わらず、ガラス基板３の上面、あるいは、相乗効果を狙って両面に設けても良い。

次に、作用について説明する。内視鏡などの撮影機構を構成する回路基板に取り付けられた固体撮像装置１は、電源の投入とともに導電薄膜５、９に通電されてガラス基板３の加熱が開始される。ガラス基板３は、すぐに全体が暖められて、人の体内のような高温多湿な環境で使用しても、内外の温度差が発生しないため結露を生じることがない。したがって、固体撮像素子２は受光エリア２ａにレンズを介して入射する被写体光を正常に電気信号に変換して、この信号を配線パタン８及び端子６ｂから機器内部の信号処理部へ出力することができる。このため、撮像によって得られる画像が結露により異常になることはない。

上記実施形態では、ＣＯＧを適用した固体撮像装置１、１０について示したが、図４及び図５のように従来のパッケージタイプの固体撮像装置１１にも本発明を適用することができる。固体撮像素子１２を実装した矩形のパッケージ２０は、側壁部２０ａの上面に塗布した紫外線硬化性樹脂１４によりカバープレートである無色透明なカバーガラス１３と接着され、固体撮像素子１２を気密封止している。ここで、側壁部２０ａは、固体撮像素子１２の周囲を囲むようにパッケージ２０と一体形成されたものである。なお、紫外線硬化性樹脂１４の代わりに熱硬化性樹脂などの他の樹脂を用いてもよい。

また、固体撮像素子１２上面の両端には接続端子２１が配列されており、それぞれボンディングワイヤ１６によって段部２０ｂに配列された対応する内部電極１８と電気的に接続される。ここで、段部２０ｂは、パッケージ２０の両端において側壁部２０ａと隣接して、パッケージ２０と一体形成された階段形状の部分である。段部２０ｂに設けられた内部電極１８は、パッケージ２０内部の配線（図示せず）を介してパッケージ２０下面に配列された外部電極２２と電気的に接続されている。この外部電極２２は、外部と電気的に接続するための接続端子である。固体撮像素子１２は、この外部電極２２を介して外部より固体撮像装置１１の駆動電力を供給されたり、受光エリア１２ａのマイクロレンズ１２ｂに入射した被写体光を電気変換することで得た画像情報の信号を外部へ出力したりする。

受光エリア１２ａの上方に位置するカバーガラス１３の下面には、受光エリア１２ａを覆う程度の面積を有した、略四角形状の無色透明な導電薄膜１５がスパッタにより形成されている。導電薄膜１５には、ガラスカバー１３下面の対角をなす位置にそれぞれ端子部分１７が設けられており、この端子部分１７は、段部２０ｂに設けた略球形状のボールバンプ１９と半田によって電気的に接続されている。さらに、ボールバンプ１９は、内部電極１８同様、パッケージ２０内部の配線（図示せず）を介してパッケージ２０下面に配列された外部電極２２と電気的に接続されている。したがって、この外部電極２２を外部と電気的に接続することで、導電薄膜１５に通電することができ、上記の実施形態と同様に結露を効果的に防止することができる。なお、導電薄膜１５の形状及び面積は、前述した通り、外部の使用環境等にあわせて適宜決定することができるため、本実施形態において図３のようなスリットを設けた形状の導電薄膜を形成することもできる。さらに導電薄膜１５の材料についても前述した通りである。また、取り付けに関しても、外部電極２２の配置に対応する端子配置を備えた回路基板と接続するだけで、固体撮像素子１２と導電薄膜１５とを一度に外部と電気的に接続することができる。しかし、この効果を無視すれば、導電薄膜１５は、カバーガラス１３の上面、あるいは両面に設けても良い。

このように構成した固体撮像装置１１についても、上記実施形態と同様の作用効果を奏すことができる。本実施形態の固体撮像装置１１は、実装面積は広くなるが、従来から広く使用されているタイプへの適用であるため、開発コストの面で有利である。

ところで、上記の各実施形態において、導電薄膜５、９、１５に反射防止機能を備えることができる。周知のとおり光は媒体の境界面で反射するが、この反射光同士の干渉を利用して反射光を弱めるようにすれば反射防止膜を形成することができる。すなわち、波動が互いに重ね合うように、各反射光の波長と位相の関係が定まれば、反射光を弱めることができる。ここで、波長は屈折率に、位相は膜の厚みにそれぞれ依存するため、導電薄膜５、９、１５として適切な材料を選択して適当な厚みで膜形成することで、導電薄膜５、９、１５を反射防止膜とすることができる。これには、例えば、ガラスよりも大きな屈折率を有するフッ化マグネシウムなどの材料を用いることができる。これにより、固体撮像素子２、１２で撮像した画像にゴースト等が写りこむことを防止することもできる。

本発明の固体撮像装置（ガラス基板実装）を示す斜視図である。 本発明の固体撮像装置（ガラス基板実装）を示す中央付近の断面図である。 本発明の固体撮像装置（ガラス基板実装）の他形態を示す斜視図である。 本発明の固体撮像装置（パッケージ実装）を示す斜視図である。 本発明の固体撮像装置（パッケージ実装）を示す中央付近の断面図である。

符号の説明

１，１０，１１ 固体撮像装置
２，１２ 固体撮像素子
２ａ，１２ａ 受光エリア
２ｂ，１２ｂ マイクロレンズ
２ｃ，１９ ボールバンプ
３ ガラス基板
４，１４ 紫外線硬化性樹脂
５，９，１５ 導電薄膜
６ａ，６ｂ，７，１７ 端子
８ 配線パタン
１３ カバーガラス
１６ ボンディングワイヤ
１８ 内部電極
２０ パッケージ
２０ａ 側壁部
２０ｂ 段状部
２１ 接続端子
２２ 外部電極
２３ スリット

Claims (8)

1. 配線パタンが形成された透明なガラス基板に、固体撮像素子を、その受光部が前記ガラス基板と対向するようにフリップチップ実装し、前記受光部と前記ガラス基板の間を中空状態に維持したまま、前記ガラス基板と固体撮像素子との間に樹脂を充填して気密封止した固体撮像装置において、
   前記ガラス基板に透明な導電薄膜を形成し、この導電薄膜に通電して前記ガラス基板を加熱することで、前記ガラス基板の結露を防止することを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記導電薄膜を前記ガラス基板の前記固体撮像素子との対向面に形成するとともに、
   前記導電薄膜を通電するために導電薄膜の一部に形成された端子部分と、前記配線パタンの一部に形成され前記固体撮像素子を外部と電気的に接続するための接続端子とを前記ガラス基板の前記固体撮像素子との対向面に配置したことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
3. 前記導電薄膜と前記配線パタンとが同じ材料で形成されていることを特徴とする請求項１または２記載の固体撮像装置。
4. 前記導電薄膜と前記配線パタンとが同じ材料で形成されており、前記導電薄膜が、前記固体撮像素子に電力を供給する配線パタンに接続されて通電されることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
5. 固体撮像素子を実装したパッケージに前記固体撮像素子の受光部と対向するように透明なカバープレートを接着し、前記パッケージと前記カバープレートとの間に固体撮像素子を気密封止した固体撮像装置において、
   前記カバープレートに透明な導電薄膜を形成し、この導電薄膜に通電して前記カバープレートを加熱することで、前記カバープレートの結露を防止することを特徴とする固体撮像装置。
6. 前記導電薄膜を前記カバープレートの下面に形成するとともに、前記固体撮像素子と前記導電薄膜をそれぞれ外部と電気的に接続するための接続端子を前記パッケージの下面に配置したことを特徴とする請求項５記載の固体撮像装置。
7. 前記導電薄膜は、前記受光部を覆うように形成されていることを特徴とする請求項１ないし６いずれか記載の固体撮像装置。
8. 前記導電薄膜は、複数のスリットが設けられていることを特徴とする請求項７記載の固体撮像装置。
   

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