JP2013125954A - 固体撮像装置及びこの固体撮像装置を用いた内視鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】カバー部材を固体撮像素子に気密性良く接合して固体撮像素子の受光部の光学特性を確保することができ、且つカバー部材と固体撮像素子との接合時の応力や熱的負荷に起因する画像信号のノイズの発生を防ぐこと。
【解決手段】本発明の固体撮像装置１は、表面に受光部５を有するとともに、表面における受光部５の外側に設けられ、受光部５に電気的に接続される配線パターン１２上に形成された複数の端子部６を有する固体撮像素子２と、固体撮像素子２の受光部５を覆うように前記固体撮像素子２上に設けられ、固体撮像素子２の端子部６と対向する位置に、前記受光部５の面と直交する方向に沿って複数の貫通孔３ａが設けられた、透光性を有するカバー部材３と、前記受光部５と、前記複数の端子部６と、前記配線パターン１２とがない前記固体撮像素子２の前記表面上に設けられ、前記固体撮像素子２と前記カバー部材３とを接合するための接合部４と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体撮像装置及びこの固体撮像装置を用いた内視鏡に関する。

従来より、デジタルカメラ及びデジタルビデオカメラを始め、被検体の体腔内を観察するための内視鏡、撮像機能を備えた携帯電話機など、各種態様の電子撮像装置が商品化されている。

電子撮像装置は、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）イメージセンサまたはＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサ等の固体撮像素子を有する固体撮像装置を用いて構成された撮像ユニットを内蔵している。

撮像ユニットは、レンズ等の光学系によって固体撮像素子の表面に設けられた受光部に被写体の光学像を結像し、この固体撮像素子の受光部の光電変換処理によって被写体の画像信号を出力する。

このような撮像ユニットの固体撮像素子は、一般に、固体撮像素子の表面における受光部の周囲に形成された複数の電極パッドを有したチップ状の素子である。この固体撮像素子は、固体撮像素子の基板上に、受光部と電極パッドとの電気的接続を行う配線パターンを有し、配線パターン、電極パッドを介して、固体撮像素子の受光部と外部との電気的接続を行う。また、このような固体撮像素子には、固体撮像素子の受光部を保護するために受光部を覆うようにカバーガラス等の透光性を有するカバー部材が取り付けられる。こうして、固体撮像素子を有する固体撮像装置が構成される。

このような、従来の固体撮像装置としては、例えば、特許文献１に示すように、凹部を有するカバー部材の枠部下面と、これと対向する固体撮像素子の表面部分と、の間を接合し封着することにより、固体撮像素子の受光部を空隙内に気密封止するようにした構成の固体撮像装置がある。

ＷＯ２００５／０６０００４号公報

前記特許文献１に記載の固体撮像装置は、カバー部材と固体撮像素子とを接着剤により接合している。接着剤は多少なりとも水分を浸透する虞があり、気密封止された固体撮像素子の受光部に曇り等が発生し、固体撮像素子の受光部における光学特性に影響を及ぼしてしまう虞がある。

また、前記特許文献１に記載の固体撮像装置は、カバー部材と固体撮像素子との接合部が、固体撮像素子の基板の配線パターンの直上に位置しており、接合時の接着剤の伸縮等により、接合部直下の配線パターンに応力がかかる虞がある。また、上述した水分の浸透を避けるために、カバー部材と固体撮像素子との接合を、例えば半田等の金属接合とした場合でも、溶着接合時に、接合部直下の配線パターンに熱的負荷がかかる虞がある。そして、配線パターンと受光部は接続されているため、受光部にも上述した応力や熱的負荷が加わることとなり、その結果、固体撮像素子からの画像信号にノイズが発生してしまう虞がある。

そこで、本発明は前記問題点に鑑みてなされたもので、カバー部材を固体撮像素子に気密性良く接合して固体撮像素子の受光部の光学特性を確保することができ、且つカバー部材と固体撮像素子との接合時の応力や熱的負荷に起因する画像信号のノイズの発生を防ぐことができる固体撮像装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様の固体撮像装置は、表面に受光部を有するとともに、前記表面における前記受光部の外側に設けられ、前記受光部に電気的に接続される配線パターン上に形成された複数の端子部を有する固体撮像素子と、前記固体撮像素子の前記受光部を覆うように前記固体撮像素子の前記表面上に設けられ、前記固体撮像素子の前記複数の端子部と対向する位置に、前記受光部の面と直交する方向に沿って複数の貫通孔が設けられた、透光性を有するカバー部材と、前記受光部と、前記複数の端子部と、前記配線パターンと、がない前記固体撮像素子の前記表面上の領域に設けられ、前記固体撮像素子と前記カバー部材とを接合するための接合部と、を具備する。

本発明の固体撮像装置によれば、カバー部材を固体撮像素子に気密性良く接合して固体撮像素子の受光部の光学特性を確保することができ、且つカバー部材と固体撮像素子との接合時における応力や熱的負荷に起因するノイズの発生を防ぐことができる。

本発明の一実施形態に係る固体撮像装置の外観の構成を示す斜視図 図１の固体撮像装置の分解斜視図 図２の固体撮像素子の上面図 図２のカバー部材を裏面側から見た平面図 図３のＢ−Ｂ線に沿った、接合部を設ける前の固体撮像素子の部分断面図 図３のＢ−Ｂ線に沿った、接合部を設けた後の固体撮像素子の部分断面図 固体撮像素子の変形例１の構成を説明するための断面図 図７に示す固体撮像素子に接合部を設けた構成を説明するための断面図 図１のＡ−Ａ線に沿った、カバー部材を接合する前の固体撮像素子の一部破断した断面図 図１のＡ−Ａ線に沿った、カバー部材を接合した後の固体撮像素子の一部破断した断面図

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る固体撮像装置の外観の構成を示す斜視図、図２は、図１の固体撮像装置の分解斜視図、図３は、図２の固体撮像素子の上面図、図４は、図２のカバー部材を裏面側から見た平面図である。

図１〜図４に示すように、本実施形態の固体撮像装置１は、固体撮像素子２と、カバー部材３と、接合部４と、を有して構成される。

固体撮像素子２は、例えば、ＣＣＤイメージセンサまたはＣＭＯＳイメージセンサ等の受光チップであり、撮像面を形成する受光部５と、複数の端子部６と、ベース基板１０と、を有する。

受光部５は、固体撮像素子２の表面２Ａの略中央に配置され、１画素に相当する複数の受光セルが１次元、または２次元状に配設されている受光領域５Ｈを形成している。尚、受光部５は、この受光領域５Ｈ上に複数のマイクロレンズ５ａ（図９参照）が配置され、これらのマイクロレンズ５ａは、この受光領域５Ｈ上に投影された被写体像の光を、受光セル単位で集光するものである。

固体撮像素子２の表面２Ａは、図３に示すように、受光部５の受光領域５Ｈの他に、配線領域２Ｈと、接合領域４Ｈとを有する。
配線領域２Ｈは、受光領域５Ｈの外周に配置され、複数の端子部６と受光セル以外の回路の配線パターン１２（図９参照）が設けられている領域である。

また、接合領域４Ｈは、この配線領域２Ｈを囲むように配置されるとともに配線領域２Ｈから外周縁部まで延設された領域であって、この接合領域４Ｈには後述する接合部４が配設される。尚、この接合領域４Ｈには、配線パターン１２（図９参照）は配設されていない。

各端子部６は、配線パターン１２上（図９参照）、即ち、配線領域２Ｈ上に形成されたもので、四角形状の凹部２ａ内に形成される電極パッド１４と、この電極パッド１４に電気的に接続され、凹部２ａ内に固定される金属バンプ６ａとを有する。
尚、本実施形態では、８つの端子部６を設けた構成について説明したが、端子部６の数はこれに限定されるものではなく、必要に応じて適宜増減しても良い。

ベース基板１０は、例えばシリコン性の半導体基板である。
固体撮像素子２の表面２Ａにおける、受光領域５Ｈと端子部６以外の表面は、パッシベーション等の絶縁保護膜１３（図５参照）で覆われている。この固体撮像素子２の表面２Ａ側の詳細な積層構造については後述する。
固体撮像素子２の接合領域４Ｈには、接合部４を構成する第１の接合層４Ａが配設されている。

一方、固体撮像素子２に接合されるカバー部材３は、例えば、ガラスあるいは樹脂等の入射光の光学特性を著しく変化させずに透過する、透光性を有する部材を用いて、平板状で、且つ四角形状に構成されている。
なお、本実施形態においては、カバー部材３を平板状としたが、これに限らず、例えば少なくとも受光部５と対向する領域を凹状とした板状部材で形成しても良い。

このカバー部材３は、固体撮像素子２の表面２Aとカバー部材３の裏面３Bが対向し、固体撮像素子２の受光部５の撮像面を覆い、且つカバー部材３と固体撮像素子２の間に空隙２３（図１０参照）を形成するように、固体撮像素子２上に設けられている。尚、カバー部材３の形状は、本実施形態においては、固体撮像素子２の四角形状と同形状に形成されており、面積も同様であるが、少なくとも配線領域２Ｈを囲むように接合領域４Hが設けられれば、大きさや形状はこの限りではない。

カバー部材３は、図４に示すように、固体撮像素子２の端子部６と対向する位置に、受光部５の撮像面と直交する方向に沿って貫通孔３ａが設けられている。これら複数の貫通孔３ａは、前記端子部６と電気的に接続される導電部材７が充填されることにより、貫通ビアとして形成される。

また、カバー部材３の裏面３Ｂ側の、固体撮像素子２の接合領域４Ｈに対向する領域（以下、接合領域という）４Ｈ１には、接合部４を構成する第２の接合層４Ｂが配設されている。尚、この第２の接合層４Ｂは、例えば、カバー部材３の表面３Ａと平行な裏面３B上において、前記第１の接合層４Ａ（図３参照）と同形状に形成される。

接合部４は、固体撮像素子２とカバー部材３とを接合するためのもので、固体撮像素子２に設けられた第１の接合層４Ａと、カバー部材３に設けられた第２の接合層４Ｂとを有する。

本実施形態においては、接合部４は、固体撮像素子２の表面２Ａにおける、受光部５、端子部６、及び配線パターン１２がない領域（接合領域４Ｈ）に設けられている。
即ち、接合部４は、受光部５、端子部６及び配線パターン１２の外側で、受光部５、端子部６及び配線パターン１２を囲む接合領域４Ｈに配置されて固体撮像素子２とカバー部材３とを接合することにより、固体撮像素子２の撮像面を形成する受光部５を気密封止する。

さらに、詳しく説明すると、接合部４を構成する第１及び第２の接合層４Ａ、４Ｂは、固体撮像素子２とカバー部材３の各々に連続して設けられた金属膜であり、対向する各々の前記金属膜を、例えば半田付けや共晶接合等の金属接合することにより、固体撮像素子２とカバー部材３とを接合する。つまり、固体撮像素子２とカバー部材３とを水分が浸透しない金属により接合する。

次に、このような接合部４の積層構造、及び固体撮像素子２の積層構造について、図５〜図１０を用いて説明する。
図５は、図３のＢ−Ｂ線に沿った、接合部を設ける前の固体撮像素子の部分断面図、図６は、図３のＢ−Ｂ線に沿った、接合部を設けた後の固体撮像素子の部分断面図、図７は、固体撮像素子の変形例１の構成を説明するための部分断面図、図８は、図７に示す固体撮像素子に接合部を設けた構成を説明するための部分断面図である。

先ず、固体撮像素子２の積層構造について説明する。
図５に示すように、固体撮像素子２を製造する場合、該固体撮像素子２の主要部を構成するベース基板１０の表面上に、酸化シリコン等の絶縁材料を用いた絶縁層１１を配設する。そして、この絶縁層１１の表面上の、接合領域４Ｈ以外の領域に、アルミニウム等を用いて形成された配線パターン１２を配設する。

そして、図５に示すように、配線パターン１２で覆われてない絶縁層１１と、電極パッド１４及び受光部５以外の表面に、パッシベーション等の絶縁保護膜１３を配設する。上述したように、接合領域４Ｈには、配線パターン１２は設けられていない。

その後、固体撮像素子２の接合領域４Ｈに合わせて金属膜である第１の接合層４Ａを設けるとともに、各凹部２ａに金属バンプ６ａを、例えば、バンプボンディング等により設け、配線パターン１２に接続する。

尚、カバー部材３についても、固体撮像素子２と同様に、カバー部材３の接合領域４Ｈ１に合わせて第２に接合層４Ｂを設けるとともに、カバー部材３の貫通孔３ａに、固体撮像素子２の金属バンプ６ａと当接される貫通ビアとしての導電部材７を充填しておく。

第１の接合層４Ａは、ベース基板１０の絶縁保護膜１３上に、例えば、第１の積層膜２０、第２の積層膜２１、第３の積層膜２２といった順序で積層して構成される。第２の接合層４Ｂについても同様であり、カバー部材３の裏面３Ｂ上に、例えば、第１の積層膜２０、第２の積層膜２１、第３の積層膜２２といった順序で積層して構成される。

第１〜第３の積層膜２０〜２２の具体的な金属材料としては、金属接合の方法が半田付けである場合には、第１の積層膜２０は、例えば、銅（Cu）、又はクロム（Cr）、又はチタン（チタニウム：Ti）である。第２の積層膜２１は、例えば、ニッケル（Ni）である。第３の積層膜２２は、例えば、金（Ａu）である。

また、金属接合の方法が共晶接合である場合には、第１〜第３の積層膜２０〜２２の具体的な金属材料としては、上記半田付けの時と略同様の金属材料を用いるが、カバー部材３の第２の接合層４Ｂの第３の積層膜２２のみを、例えば、スズ（Sn）を用いる。この場合、第１の接合層４Ａの最表層である第３の積層膜２２の金（Au）と、第２の接合層４Ｂの最表層である第３の積層膜２２のスズ（Sn）とで、Au-Sn共晶接合することになる。

尚、第１及び第２の接合層４Ａ、４Ｂは、上記した第１〜第３の積層膜２０〜２２を夫々積層することによって金属膜を形成したが、これに限定されるものではなく、必要に応じて、接合方法に適した金属膜を用いて構成すれば良い。接合方法が半田付けである場合には、第１及び第２の接合層４Ａ、４Ｂの最表層としては、金（Ａu）を用いた金属膜を形成することが望ましい。

また、第３の積層膜２２として、例えば、ろう材（Au-Sn）等の半田材料を用いて構成しても良い。また、この半田材料の他、例えば、ビスマス−スズ（Bi-Sn）やインジウム−スズ（In-Sn）を用いて構成しても良い。
このような第１〜第３の積層膜２０〜２２は、例えば、蒸着、スパッタリング等によって形成される。
このようにして、図６及び図９に示すような固体撮像素子２及びカバー部材３が構成される。

尚、固体撮像素子２は、図７及び図８に示す変形例１に示すように、固体撮像素子２の接合領域４Ｈに対応する部分の絶縁保護膜１３を無くするともに、配線パターン１２と同様の金属製のパターン１５を、配線パターン１２に接触しない範囲でベース基板１０の縁部から接合領域４Ｈの境界を超える部分までの領域に、受光部５、端子部６及び配線パターン１２を囲むように配設し、絶縁保護膜１３を無くして形成された段差部２ｂのパターン１５上に第１の接合層４Ａを設けるようにしても良い。この場合、第１の接合層４Ａが設けられるパターン１５は、電極パッド１４を形成する配線パターン１２とは、接続されてはおらず、絶縁保護膜１３を介して絶縁されている。
また、図８に示す構成において、第１の接合層４Ａの第１の積層膜２０と、パターン１５との間に、絶縁保護膜１３を設けて構成しても良い。

次に、本実施形態の固体撮像装置１におけるカバー部材の接合方法について図９及び図１０を用いて説明する。
図９は、図１のＡ−Ａ線に沿った、カバー部材を接合する前の固体撮像素子の一部破断した断面図、図１０は、図１のＡ−Ａ線に沿った、カバー部材を接合した後の固体撮像素子の一部破断した断面図である。

本実施形態の固体撮像装置１は、金属膜である第１の接合層４Ａと第２の接合層４Ｂとを金属接合、具体的には半田付けによる金属接合を行うことにより、固体撮像素子２とカバー部材３とが固着される。

この場合、図９に示すように固体撮像素子２の表面側に、カバー部材３を配置し、その後、カバー部材３の第２の接合層４Ｂを、固体撮像素子２の第１の接合層４Ａに合わせ、半田付けにより、各第３の積層膜２２を接合する。

こうして、図１０に示すように、各第３の積層膜２２が半田接合により接合されるため、第１の接合層４Ａと第２の接合層４Ｂとの固着により、空隙２３を形成すると同時にこの空隙２３内に、受光部５を気密封止した状態で、固体撮像素子２にカバー部材３を接合し固着することができる。

また、同時に、金属バンプ６ａは、これに対向する、カバー部材３の貫通孔３ａに設けられた導電部材７に所定の押圧力で当接すると同時に、この所定の押圧力で潰れたままその当接状態を確保している。これにより、電極パッド１４は金属バンプ６ａを介して貫通孔３ａ内の導電部材７と電気的に接続されることになる。

尚、本実施形態に用いられる接合方法としては、真空雰囲気化、或いは、H2雰囲気化またはN2雰囲気化による方法で、半田融点または共晶温度以上まで昇温し、接合する。勿論、このような方法に限定されることはなく、他の方法を用いて接合しても良い。

このような構成の固体撮像装置１では、固体撮像素子２の表面に接合するカバー部材３の接合面側の形状が、凹部を有する枠形状ではなく、平板の平面形状であり、さらに、受光部５、端子部６、及び配線パターン１２がない固体撮像素子２の表面２Ａ上の接合領域４Ｈに設けられた接合部４によって、固体撮像素子２とカバー部材３とを接合して、固体撮像素子２の撮像面を形成する受光部５を気密封止している。

この場合、接合部４を構成する第１及び第２の接合層４Ａ、４Ｂは、固体撮像素子２とカバー部材３の各々に連続して設けられた金属膜であり、対向する各々の前記金属膜を、例えば半田付け等の金属接合することにより、固体撮像素子２とカバー部材３とが接合することになる。

したがって、このような接合部４による金属接合によって、固体撮像素子２とカバー部材３とが接合して固着されているので、高い気密性を得ることができると同時に、空隙２３を形成しながらも、この空隙２３内に配設される固体撮像素子の受光部の光学特性を十分に確保することができる。

また、接合部４が、受光部５、端子部６、及び配線パターン１２がない固体撮像素子２の表面２Ａ上の接合領域４Ｈに設けられた構成であるため、配線パターン１２に、カバー部材３と固体撮像素子２との接合時における応力や熱的負荷がかかりにくい。よって、上述した応力や熱的負荷が、配線パターン１２と接続されている受光部５に加わることに起因して、固体撮像素子２からの画像信号にノイズが発生することもない。

したがって、本実施形態によれば、カバー部材３を固体撮像素子２に気密性良く接合して固体撮像素子２の受光部５の光学特性を確保することができ、且つカバー部材３と固体撮像素子２との接合時における応力や熱的負荷に起因するノイズの発生を防ぐことができる固体撮像装置１の実現が可能となる。

尚、本実施形態において、接合部４を構成する第１及び第２の接合層４Ａ、４Ｂ、及び接合領域４Ｈ、４Ｈ１の形状は、四角形状に限定されることはなく、例えば、受光部５、端子部６及び配線パターン１２が配設される配線領域２Ｈの外側に連続して配置される構成であれば、必要に応じて適宜変形しても良い。

また、本実施形態の固体撮像装置１は、該固体撮像装置を、挿入部の先端部内に備えた内視鏡として構成することにより、撮像機能を向上させることができる内視鏡の実現も可能となる。

また、本実施形態の固体撮像装置１は、内視鏡に用いることに限定されることはなく、例えば、デジタルカメラやデジタルビデオ、或いは撮像機能を備えた携帯電話機に搭載しても、同様の効果が得られる。

本発明は、上述した実施形態及び変形例に限定されるものではなく、本発明の要旨を変えない範囲において、種々の変更、改変等が可能である。

１…固体撮像装置
２…固体撮像素子
２Ａ…表面
２Ｈ…配線領域
２ａ…凹部
３…カバー部材
３Ａ…表面
３Ｂ…裏面
３ａ…貫通孔
４…接合部
４Ａ…第１の接合層
４Ｂ…第２の接合層
４Ｈ、４Ｈ１…接合領域
５…受光部
５Ｈ…受光領域
５ａ…マイクロレンズ
６…端子部
６ａ…金属バンプ
７…導電部材
１０…ベース基板
１１…絶縁層
１２…配線パターン
１３…絶縁保護膜
１４…電極パッド
１５…パターン
２０…第１の積層膜
２１…第２の積層膜
２２…第３の積層膜
２３…空隙

Claims (5)

1. 表面に受光部を有するとともに、前記表面における前記受光部の外側に設けられ、前記受光部に電気的に接続される配線パターン上に形成された複数の端子部を有する固体撮像素子と、
   前記固体撮像素子の前記受光部を覆うように前記固体撮像素子の前記表面上に設けられ、前記固体撮像素子の前記複数の端子部と対向する位置に、前記受光部の面と直交する方向に沿って複数の貫通孔が設けられた、透光性を有するカバー部材と、
   前記受光部と、前記複数の端子部と、前記配線パターンと、がない前記固体撮像素子の前記表面上の領域に設けられ、前記固体撮像素子と前記カバー部材とを接合するための接合部と、
   を具備したことを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記接合部は、前記受光部、前記複数の端子部及び前記配線パターンの外側に連続して配置されて前記固体撮像素子と前記カバー部材とを接合することにより、前記固体撮像素子の前記受光部を封止することを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 前記接合部は、前記固体撮像素子と前記カバー部材の各々に連続して設けられた金属膜であり、対向する各々の前記金属膜を金属接合することにより、前記固体撮像素子と前記カバー部材とを接合することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の固体撮像装置。
4. 前記カバー部材の前記複数の貫通孔は、前記端子部と電気的に接続される導電部材が充填されることにより、貫通ビアとして形成したことを特徴とする請求項１から請求項３の何れか１つに記載の固体撮像装置。
5. 請求項１から請求項４の何れか１つに記載の固体撮像装置を、挿入部の先端部内に備えたことを特徴とする内視鏡。
   

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