JP3689180B2 - 固体撮像装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内視鏡に内蔵される固体撮像装置、および固体撮像装置等に用いられる封止樹脂の選定方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、開腹手術を避けて、点型手術を施術することが行われつつある。このような点型手術には、固体撮像装置を内蔵した内視鏡が広く使用されている。
【０００３】
図６を参照して内視鏡に内蔵される従来の固体撮像装置４０の構成を説明する。この固体撮像装置４０は、撮像面４１が透明保護板（ガラス板）４２によって覆われた固体撮像素子４３と、回路モジュール４４と、セラミックベース板４５とを順次ステンレスの収納枠４６内に収納して構成されている。固体撮像素子４３と回路モジュール４４とは、ＴＡＢリード４７、セラミックべース板４５の配線パターン（図示省略）、および電極ピン５２を介して接続されている。なお、図中符号４８はＴＡＢリード４７に設けられたバンプであり、４９はＴＡＢリード４７を挟持した状態で透明保護板４２と固体撮像素子４３とを接着するアクリル樹脂からなる接着樹脂であり、５０は透明保護板４２および固体撮像素子４３と収納筒４６との間に充填されたエポキシ樹脂からなる封止樹脂であり、５１は収納筒４６の回路モジュール側端面を封止する封止板である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、医療用に用いられる機材には滅菌処理を施すことが必要不可欠であり、内視鏡の滅菌処理には、蒸気滅菌法（以下、オートクレーブと呼ぶ）が、最も一般的で、且つ確実な方法として採用されている。内視鏡では、通常、約１４０℃の飽和水蒸気中に２０分程度晒すことでオートクレーブを行っている。
【０００５】
しかしながら、内視鏡に内蔵される従来の固体撮像装置４０では、オートクレーブに十分対応した防水性能を有しておらず、オートクレーブによって蒸気環境中に晒した場合、封止樹脂５０に水が浸透して撮像面４１と透明保護板４２との間に水分（水蒸気等）が浸入することがあった。水分の侵入は、接続箇所に対する水滴の付着や接着樹脂４９の変質を引き起こして接続不良の原因となったり、撮像画面上にシミを発生させて画像不良の原因となるので都合の悪いものであった。
【０００６】
このような不都合を回避するためには、封止樹脂５０に用いる樹脂として、オートクレーブの条件に対応して十分なる防水性能を発揮できるものを選定すればよいのであるが、種々ある樹脂材料から、封止樹脂５０に適した樹脂材料を選定する方法がなく、その選定方法の確立が望まれていた。
【０００７】
本発明は上記問題に鑑み、接続不良、撮像画像の乱れの原因となる水分の侵入を確実に防止することを課題としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明は、撮像面が透明保護板で覆われた固体撮像素子と、前記透明保護板の接着端縁を被覆して、前記接着端縁を介して前記透明保護板と前記固体撮像素子の隙間に水分が侵入することを防止する封止樹脂とを備えた固体撮像装置において、次の構成を有している。
【０００９】
すなわち、本発明の固体撮像装置では、収納筒を備えるとともに、前記固体撮像素子を、前記透明保護板を筒端に露出させた状態で前記収納筒に収納しており、かつ、前記封止樹脂は、前記収納筒の内面と前記接着端縁との間に充填されており、前記封止樹脂は、固体撮像装置が１４０℃の飽和水蒸気環境に晒される１回当たり２０分行うオートクレーブを所定回数行うという使用条件及び固体撮像装置が水蒸気に晒されている時間を変数としたフィックの拡散法則から求められるこの封止樹脂の水拡散距離より、前記透明保護板表面から前記接着端縁にわたる封止樹脂領域の樹脂幅が広いものであるとして、接続不良、撮像画像の乱れの原因となる水蒸気の侵入を防止した。
【００１０】
【発明の実施形態】
本発明の請求項１に記載の発明は、撮像面が透明保護板で覆われた固体撮像素子と、前記透明保護板の接着端縁を被覆して、前記接着端縁を介して前記透明保護板と前記固体撮像素子の隙間に水分が侵入することを防止する封止樹脂とを備えた固体撮像装置であって、収納筒を備えるとともに、前記固体撮像素子を、前記透明保護板を筒端に露出させた状態で前記収納筒に収納しており、かつ、前記封止樹脂は、前記収納筒の内面と前記接着端縁との間に充填されており、前記封止樹脂は、固体撮像装置が１４０℃の飽和水蒸気環境に晒される１回当たり２０分行うオートクレーブを所定回数行うという使用条件及び固体撮像装置が水蒸気に晒されている時間を変数としたフィックの拡散法則から求められるこの封止樹脂の水拡散距離より、前記透明保護板表面から前記接着端縁にわたる封止樹脂領域の樹脂幅が広いものであるとしており、これにより次の作用を有する。すなわち、樹脂露出面から封止樹脂内に多少の水分は浸透するが、樹脂露出面と接着端縁とにわたる樹脂幅が封止樹脂の水拡散距離より広いため、固体撮像装置が含水環境に滞留する時間を超過しても水分は封止樹脂の内側の表面、すなわち、撮像面と透明保護板との接着端縁まで達することはない。
【００１３】
本発明の請求項２に記載の発明は、請求項１に係る発明において、前記接着端縁および前記収納筒の内面には、その周面にわたってシランカップリング処理層ないしチタンカップリング処理層が形成されており、これにより次の作用を有する。すなわち、接着端縁と封止樹脂および収納筒内面と封止樹脂とがシランカップリング処理層ないしチタンカップリング処理層によって強固に密着されることになり、接着端縁と封止樹脂との隙間や、収納筒内面と封止樹脂との隙間から水分が浸透することがなくなる。
【００１４】
本発明の請求項３に記載の発明は、請求項１に係る固体撮像装置において、固体撮像素子を駆動する駆動回路部品を実装して前記収納筒に収納される回路モジュールと、この回路モジュールを収納筒内に封入する充填樹脂とを更に備えており、かつ、前記充填樹脂の熱膨張係数をαとし、前記回路モジュールの熱膨張係数をβとすると、充填樹脂は、β×１０≧α≧β×０．１の値を満足する樹脂材料から構成されており、これにより次の作用を有する。すなわち、充填樹脂が熱膨張する具合と回路モジュールが熱膨張する具合との間で隔たりがほとんどなくなり、充填樹脂と回路モジュールとの熱膨張具合の隔たりに起因する樹脂剥がれが発生しなくなる。
【００１６】
以下、本発明の一実施の形態について、図面を参照しながら説明する。図１は本発明の一実施の形態の固体撮像装置１の断面図である。
【００１７】
この固体撮像装置１は、固体撮像素子２と、固体撮像素子２の撮像面３を若干の隙間３ａを空けて密封するガラス製の透明保護板４と、固体撮像素子２を駆動する回路モジュール５と、セラミックベース板６と、セラミックベース板６から突出するリード端子７と、ステンレスの収納筒８と、封止樹脂９とを備えている。回路モジュール５の間には電極ピン１３が介装されており、固体撮像素子２と回路モジュール５とは、ＴＡＢリード１０、セラミックべース板６の配線パターン（図示省略）、および電極ピン１３を介して接続されている。また、回路モジュール５とリード端子７とは、電極ピン１３およびセラミックベース板６の配線パターン（図示省略）を介して接続されている。
【００１８】
固体撮像素子２、回路モジュール５およびセラミックベース板６は順次積層配置されたうえで、リード端子７を収納筒８から突出させて収納筒８に収納されている。
【００１９】
封止樹脂９は、透明保護板３上を覆うことなく収納筒８の隙間に充填されている。封止樹脂９は、封止樹脂領域９ａと充填樹脂領域９ｂとを有している。封止樹脂領域９ａは、封止樹脂９のうち、収納筒８内面と透明保護板４との間に封入された領域を指しており、この封止樹脂領域９ａによって、外部から固体撮像素子２と透明保護板４との接着端縁２ａを介して隙間３ａ内に水分が侵入するのを防止している。充填樹脂領域９ｂは、封止樹脂領域９ａ以外の封止樹脂９の領域を指しており、この充填樹脂領域９ｂによって回路モジュール５やセラミックベース板６は収納筒８内に封入されている。封止樹脂９は、金属フィラの添加等により防水性能を高めたエポキシ樹脂から構成されている。
【００２０】
なお、図中、符号１１は、ＴＡＢリード１０に固体撮像素子２との接続用に設けられたバンプであり、１２は、アクリル樹脂からなりＴＡＢリード７と透明保護板４とを接着する樹脂層であり、１４は、透明保護板４、固体撮像素子２、回路モジュール５，セラミックべース板６、およびＴＡＢリード１０からなる固体撮像素子ユニットである。
【００２１】
次に、この固体撮像装置１の製造を順を追って説明する。
【００２２】
まず、図２（ａ）に示すように、転写バンプ法等によりＡｕ等によりＴＡＢリード１０に形成したバンプ１１と固体撮像素子２の電極パッド（図示省略）とをシングルポイントボンディング法等により接続する。そして、図２（ｂ）に示すように、ＴＡＢリード１０と固体撮像素子２を接続した部分にアクリル樹脂からなる樹脂層１２を塗布したうえで撮像面３上に透明保護板４を載置し、樹脂層１２によって透明保護板４を固体撮像素子２に接着する。
【００２３】
次に、電極ピン１３を間に挟んだ状態で、回路モジュール５とセラミックベース板６とを積層配置し、さらには、回路モジュール５どうしおよび回路モジュール５とセラミックべース板６の配線パターン（図示省略）とを、介装した電極ピン１３によって接続する。そして、図２（ｃ）に示すように、回路モジュール５上に、ＴＡＢリード１０を接続した固体撮像素子２とを配置し、はんだによる熱圧着法等により、ＴＡＢリード１０をセラミックベース板６にＯＬＢ（アウターリードボンディング）し、これにより、固体撮像素子ユニット１４を形成する。
【００２４】
図３に示すように、このようにして形成した固体撮像素子ユニット１４を収納する収納筒８を用意し、固体撮像素子１４と収納筒８とにシランカップリング処理を施して、その表面にシランカップリング処理層１５を形成する。シランカップリング処理は、固体撮像素子ユニット１４の表面および収納筒８の表面にシラン系カップリング剤を塗布したのち、１５０℃で約１００分焼成し、図４のモデルに示めされるような層１５を形成することをいう。なお、シランカップリング処理層１５は極薄い層であるので、図４にのみ図示し、その他の図では図示を省略している。また、シランカップリング処理層１５に代えて、チタン系カップリング剤を用いたチタンカップリング処理を施してなるチタンカップリング処理層を形成してもよい。
【００２５】
シランカップリング処理層１５を形成したのち、固体撮像素子ユニット１４を収納筒８内に挿入配置する。そして、収納筒８と固体撮像素子ユニット１４との間の隙間に封止樹脂９となる材料樹脂（例えば、金属フィラを混入したエポキシ樹脂）を充分気泡を脱気した状態で隙間無く充填する。そして、充填した材料樹脂に対して、例えば、（１３０℃，３０分）→（１６０℃，３時間）の熱処理を加えることで熱硬化させて封止樹脂９を形成する。このとき、収納筒８や固体撮像素子ユニット１４の表面は、シランカップリング処理層１５が形成されているので、封止樹脂９は、収納筒８に対しても、また、固体撮像素子ユニット１４に対して強固に接着されることになる。そのため、収納筒８と封止樹脂９との間や、固体撮像素子ユニット１４と封止樹脂９との間に、水分の侵入を許容する隙間は形成されない。このようにして、固体撮像装置１が作製される。
【００２６】
ところで、固体撮像装置１において最も防水性が要求される箇所は固体撮像素子２と透明保護板６との接着端縁２ａであり、接着端縁２ａの防水性は封止樹脂領域９ａの封止樹脂充填量によって左右される。以下、このことを説明する。
【００２７】
接着端縁２ａには、固体撮像装置１の透明保護板側表面１ａと、セラミックべース板側表面１ｂとから水分が侵入するが、これら表面のうち、接着端縁２ａにより近接する表面、つまり、セラミックべース板側表面１ａから侵入してくる水分が、接着端縁２ａの防水を維持するうえで問題となる。
【００２８】
セラミックべース板表面１ａと接着端縁２ａとの間には、封止樹脂９の封止樹脂領域９ａが介在しており、この封止樹脂領域９ａによってセラミックべース板表面１ａから侵入する水分を遮断している。したがって、１４０℃の飽和水蒸気環境で１回当たり２０分行うオートクレーブを所定回数（例えば３０００回）行うというオートクレーブの使用条件のもとでも、水分が封止樹脂領域９ａを拡散透過しなければ、接着端縁２ａの防水性は維持できる。
【００２９】
そこで、封止樹脂９を構成する樹脂材料の上記オートクレーブ条件での水の拡散距離Ｌを算出する。そして、セラミックべース板側表面１ａから接着端縁２ａにわたる封止樹脂領域９ａの樹脂幅（図１中，Ｈで表示）が、算出した上記拡散距離Ｌより長くなるように封止樹脂領域９ａの大きさを設定する。
【００３０】
図５は、封止樹脂９の材料として選定した、フィック型拡散を示すエポキシ樹脂の一種の実験結果の一例を示したものであって、横軸は時間ｔ（ここでは、√ｔ）を示しており、縦軸は、平板上に薄く延ばした材料樹脂（エポキシ樹脂）に所望の条件（上記したオートクレーブ条件）で水が吸脱着させたときにおける材料樹脂（エポキシ樹脂）の重量変化率を示している。
【００３１】
図５の実験結果から導かれるように、フィック型拡散を示す材料樹脂（エポキシ樹脂）における水の拡散係数Ｄは次に示す▲１▼の実験式に従う傾きθから一般に求めることができる。
【００３２】
この▲１▼式を基にして、log｛１−Ｍ(t)／Ｍ(∞)｝に対する時間ｔのプロットを作製し、作製したプロットが直線状となる領域（図５においてＪで表示）の傾きθから材料樹脂（エポキシ樹脂）の拡散係数Ｄを求めることができる。図５の実験結果からは、上記オートクレーブ条件での材料樹脂（エポキシ樹脂）における水の拡散係数Ｄは１０．５（μｍ2／min）と算出できる。
【００３３】
さらに、このような拡散係数Ｄを有する材料樹脂（エポキシ樹脂）を、上記したオートクレーブ条件の元にｔ秒間晒した際の、材料樹脂（エポキシ樹脂）における水粒子の平均拡散距離Ｌは次の▲２▼式で表される。
【００３４】
Ｌ＝√（４Ｄｔ）…▲２▼
▲２▼式により、上述したオートクレーブの使用条件において、材料樹脂（エポキシ樹脂）に水が拡散する距離（平均拡散距離の平均値）Ｌは約１．６μｍと計算できる。
【００３５】
そのため、算出した拡散距離（１，６μｍ）より封止樹脂領域９ａの幅Ｈが長くなるように封止樹脂領域９ａの大きさを設定すれば、この材料樹脂（エポキシ樹脂）で構成された封止樹脂領域９ａでは、接着端縁２ａから隙間３ａ内に水分が侵入することはなくなる。この固体撮像装置１では、撮像素子２上に透明保護板４を載置して、透明保護板４を露出させている構造上、封止樹脂領域９ａの幅Ｈは透明保護板４の厚みと同等となっている。したがって、透明保護板４として、５００μｍ程度の厚みを有するガラス板を用いる固体撮像装置１において、拡散係数Ｄ＝１０．５μｍ2の材料樹脂（エポキシ樹脂）からなる封止樹脂領域９ａを形成すれば、オートクレーブ処理を重ねて行っても、隙間３ａ内に水分が侵入することはない。
【００３６】
なお、上述した説明においては、封止樹脂９の材料樹脂として、エポキシ樹脂を例に説明したが、本発明は、封止樹脂として他のシリコン樹脂等のフィック型拡散を示す樹脂を用いた場合であっても同様に適用することができる。
【００３７】
また、封止樹脂９の形成にあたっては材料樹脂と被接着物（固体撮像素子ユニット１４や収納筒８）との熱膨張率の差による剥がれを防止する必要がある。
【００３８】
そうしないと、
・固体撮像素子ユニット１４（この場合、特に、問題となるのは透明保護板４）と封止樹脂９との間で樹脂剥がれが発生した場合には、剥がれた場所から水が浸透して隙間３ａに侵入してしまう、
・収納筒８と封止樹脂９との間で樹脂剥がれが発生する場合には、収納筒８内面と接着端縁２ａとのわたる封止樹脂領域９ａの厚み（図１でＫで表示）も、上述の方法で算出した平均拡散距離Ｌより大きくする必要があり、封止樹脂領域９ａの大きさの設計が複雑化する、
といった不都合が生じる。
【００３９】
しかしながら、この固体撮像装置１では、収納筒８の内面や固体撮像素子ユニット１４にシランカップリング処理層１５を形成することで、収納筒８や固体撮像素子ユニット１４の樹脂接着力を高めており、懸念している樹脂剥がれは発生しない。
【００４０】
また、固体撮像素子ユニット１４と封止樹脂９との間で樹脂剥がれが発生しないようにするためには、固体撮像素子ユニット１４と封止樹脂９との間の熱膨張係数の差が重要となる。この固体撮像装置１では、封止樹脂９と固体撮像素子ユニット１４との間で熱膨張係数の差が１桁以下（封止樹脂９の熱膨張係数をαとして、固体撮像素子ユニット１４の熱膨張係数をβとすると、β×１０≧α≧β×０．１の値を満足する）である樹脂材料を封止樹脂９として用いている。そのため、固体撮像素子ユニット１４と封止樹脂９との間で樹脂剥がれが発生することはない。
【００４１】
次に、本発明を、封止樹脂領域９ａに用いる樹脂材料の選定方法として規定した実施の形態について、上述した固体撮像装置１を参照して説明する。すなわち、幅Ｈの封止樹脂領域９ａを有する固体撮像装置１において、上述したオートクレーブの使用条件をクリアして、隙間３ａに水分が侵入しないようにするためには、封止樹脂領域９ａに充填する樹脂材料を次のように選定すればよい。すなわち、上述した▲１▼式や図５を元にしてオートクレーブ条件での各樹脂材料の拡散係数Ｄを算出し、算出した拡散係数Ｄを上記▲２▼式に代入することで拡散距離Ｌを算出する。そして、算出した拡散距離Ｌと、固体撮像装置１の封止樹脂領域９ａの幅Ｈとを比較し、Ｌ＜Ｈとなる樹脂材料は封止樹脂領域９ａに充填する樹脂材料に適しているとして選定する一方、Ｌ≧Ｈとなる樹脂材料は封止樹脂領域９ａに充填する樹脂材料に適していないとして除外する。このようして、樹脂材料を選定すれば、オートクレーブに起因する接続不良や画像不良を未然に防止することができる。
【００４２】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、次のような効果を奏する。
【００４３】
請求項１の効果
樹脂露出面と接着端縁とにわたる樹脂幅が封止樹脂の水拡散距離より広いため、固体撮像装置が含水環境に滞留する時間を超過しても水分は封止樹脂の内側の表面、すなわち、撮像面と透明保護板との接着端縁まで達することはなくなる。そのため、オートクレーブ処理を行っても、固体撮像素子の撮像面と透明保護板との間に水分が浸入することがなくなり、水の侵入に起因する接続不良、撮像画像乱れを防止することができる。
【００４４】
請求項２の効果
接着端縁と封止樹脂との間の収納筒と封止樹脂との間に隙間が形成されることがなくなり、さらに防水性能を高めることができる。
【００４５】
請求項３の効果
充填樹脂が熱膨張する具合と回路モジュールが熱膨張する具合との間で隔たりがほとんどなくなり、充填樹脂と回路モジュールとの熱膨張具合の隔たりに起因する樹脂剥がれが発生しなくなり、さらに防水性能を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態における固体撮像装置の構造を示す断面図である。
【図２】一実施の形態の固体撮像装置の前半の組み立て工程をそれぞれ示す図である。
【図３】一実施の形態の固体撮像装置の製造途中の状態を示す図である。
【図４】シランカップリング処理工程の説明図である。
【図５】フィック型拡散を示すエポキシ樹脂の実験結果を示す図である。
【図６】従来例の固体撮像装置構造を示す断面図である。
【符号の説明】
１ 固体撮像装置 ２ 固体撮像素子
２ａ 接着端縁 ３ 撮像面
４ 透明保護板 ５ 回路モジュール
８ 収納筒 ９ 封止樹脂
９ａ 封止樹脂領域 ９ｂ 充填樹脂領域
１４ 固体撮像素子ユニット １５ シランカップリング処理層
【発明の属する技術分野】
本発明は、内視鏡に内蔵される固体撮像装置、および固体撮像装置等に用いられる封止樹脂の選定方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、開腹手術を避けて、点型手術を施術することが行われつつある。このような点型手術には、固体撮像装置を内蔵した内視鏡が広く使用されている。
【０００３】
図６を参照して内視鏡に内蔵される従来の固体撮像装置４０の構成を説明する。この固体撮像装置４０は、撮像面４１が透明保護板（ガラス板）４２によって覆われた固体撮像素子４３と、回路モジュール４４と、セラミックベース板４５とを順次ステンレスの収納枠４６内に収納して構成されている。固体撮像素子４３と回路モジュール４４とは、ＴＡＢリード４７、セラミックべース板４５の配線パターン（図示省略）、および電極ピン５２を介して接続されている。なお、図中符号４８はＴＡＢリード４７に設けられたバンプであり、４９はＴＡＢリード４７を挟持した状態で透明保護板４２と固体撮像素子４３とを接着するアクリル樹脂からなる接着樹脂であり、５０は透明保護板４２および固体撮像素子４３と収納筒４６との間に充填されたエポキシ樹脂からなる封止樹脂であり、５１は収納筒４６の回路モジュール側端面を封止する封止板である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、医療用に用いられる機材には滅菌処理を施すことが必要不可欠であり、内視鏡の滅菌処理には、蒸気滅菌法（以下、オートクレーブと呼ぶ）が、最も一般的で、且つ確実な方法として採用されている。内視鏡では、通常、約１４０℃の飽和水蒸気中に２０分程度晒すことでオートクレーブを行っている。
【０００５】
しかしながら、内視鏡に内蔵される従来の固体撮像装置４０では、オートクレーブに十分対応した防水性能を有しておらず、オートクレーブによって蒸気環境中に晒した場合、封止樹脂５０に水が浸透して撮像面４１と透明保護板４２との間に水分（水蒸気等）が浸入することがあった。水分の侵入は、接続箇所に対する水滴の付着や接着樹脂４９の変質を引き起こして接続不良の原因となったり、撮像画面上にシミを発生させて画像不良の原因となるので都合の悪いものであった。
【０００６】
このような不都合を回避するためには、封止樹脂５０に用いる樹脂として、オートクレーブの条件に対応して十分なる防水性能を発揮できるものを選定すればよいのであるが、種々ある樹脂材料から、封止樹脂５０に適した樹脂材料を選定する方法がなく、その選定方法の確立が望まれていた。
【０００７】
本発明は上記問題に鑑み、接続不良、撮像画像の乱れの原因となる水分の侵入を確実に防止することを課題としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明は、撮像面が透明保護板で覆われた固体撮像素子と、前記透明保護板の接着端縁を被覆して、前記接着端縁を介して前記透明保護板と前記固体撮像素子の隙間に水分が侵入することを防止する封止樹脂とを備えた固体撮像装置において、次の構成を有している。
【０００９】
すなわち、本発明の固体撮像装置では、収納筒を備えるとともに、前記固体撮像素子を、前記透明保護板を筒端に露出させた状態で前記収納筒に収納しており、かつ、前記封止樹脂は、前記収納筒の内面と前記接着端縁との間に充填されており、前記封止樹脂は、固体撮像装置が１４０℃の飽和水蒸気環境に晒される１回当たり２０分行うオートクレーブを所定回数行うという使用条件及び固体撮像装置が水蒸気に晒されている時間を変数としたフィックの拡散法則から求められるこの封止樹脂の水拡散距離より、前記透明保護板表面から前記接着端縁にわたる封止樹脂領域の樹脂幅が広いものであるとして、接続不良、撮像画像の乱れの原因となる水蒸気の侵入を防止した。
【００１０】
【発明の実施形態】
本発明の請求項１に記載の発明は、撮像面が透明保護板で覆われた固体撮像素子と、前記透明保護板の接着端縁を被覆して、前記接着端縁を介して前記透明保護板と前記固体撮像素子の隙間に水分が侵入することを防止する封止樹脂とを備えた固体撮像装置であって、収納筒を備えるとともに、前記固体撮像素子を、前記透明保護板を筒端に露出させた状態で前記収納筒に収納しており、かつ、前記封止樹脂は、前記収納筒の内面と前記接着端縁との間に充填されており、前記封止樹脂は、固体撮像装置が１４０℃の飽和水蒸気環境に晒される１回当たり２０分行うオートクレーブを所定回数行うという使用条件及び固体撮像装置が水蒸気に晒されている時間を変数としたフィックの拡散法則から求められるこの封止樹脂の水拡散距離より、前記透明保護板表面から前記接着端縁にわたる封止樹脂領域の樹脂幅が広いものであるとしており、これにより次の作用を有する。すなわち、樹脂露出面から封止樹脂内に多少の水分は浸透するが、樹脂露出面と接着端縁とにわたる樹脂幅が封止樹脂の水拡散距離より広いため、固体撮像装置が含水環境に滞留する時間を超過しても水分は封止樹脂の内側の表面、すなわち、撮像面と透明保護板との接着端縁まで達することはない。
【００１３】
本発明の請求項２に記載の発明は、請求項１に係る発明において、前記接着端縁および前記収納筒の内面には、その周面にわたってシランカップリング処理層ないしチタンカップリング処理層が形成されており、これにより次の作用を有する。すなわち、接着端縁と封止樹脂および収納筒内面と封止樹脂とがシランカップリング処理層ないしチタンカップリング処理層によって強固に密着されることになり、接着端縁と封止樹脂との隙間や、収納筒内面と封止樹脂との隙間から水分が浸透することがなくなる。
【００１４】
本発明の請求項３に記載の発明は、請求項１に係る固体撮像装置において、固体撮像素子を駆動する駆動回路部品を実装して前記収納筒に収納される回路モジュールと、この回路モジュールを収納筒内に封入する充填樹脂とを更に備えており、かつ、前記充填樹脂の熱膨張係数をαとし、前記回路モジュールの熱膨張係数をβとすると、充填樹脂は、β×１０≧α≧β×０．１の値を満足する樹脂材料から構成されており、これにより次の作用を有する。すなわち、充填樹脂が熱膨張する具合と回路モジュールが熱膨張する具合との間で隔たりがほとんどなくなり、充填樹脂と回路モジュールとの熱膨張具合の隔たりに起因する樹脂剥がれが発生しなくなる。
【００１６】
以下、本発明の一実施の形態について、図面を参照しながら説明する。図１は本発明の一実施の形態の固体撮像装置１の断面図である。
【００１７】
この固体撮像装置１は、固体撮像素子２と、固体撮像素子２の撮像面３を若干の隙間３ａを空けて密封するガラス製の透明保護板４と、固体撮像素子２を駆動する回路モジュール５と、セラミックベース板６と、セラミックベース板６から突出するリード端子７と、ステンレスの収納筒８と、封止樹脂９とを備えている。回路モジュール５の間には電極ピン１３が介装されており、固体撮像素子２と回路モジュール５とは、ＴＡＢリード１０、セラミックべース板６の配線パターン（図示省略）、および電極ピン１３を介して接続されている。また、回路モジュール５とリード端子７とは、電極ピン１３およびセラミックベース板６の配線パターン（図示省略）を介して接続されている。
【００１８】
固体撮像素子２、回路モジュール５およびセラミックベース板６は順次積層配置されたうえで、リード端子７を収納筒８から突出させて収納筒８に収納されている。
【００１９】
封止樹脂９は、透明保護板３上を覆うことなく収納筒８の隙間に充填されている。封止樹脂９は、封止樹脂領域９ａと充填樹脂領域９ｂとを有している。封止樹脂領域９ａは、封止樹脂９のうち、収納筒８内面と透明保護板４との間に封入された領域を指しており、この封止樹脂領域９ａによって、外部から固体撮像素子２と透明保護板４との接着端縁２ａを介して隙間３ａ内に水分が侵入するのを防止している。充填樹脂領域９ｂは、封止樹脂領域９ａ以外の封止樹脂９の領域を指しており、この充填樹脂領域９ｂによって回路モジュール５やセラミックベース板６は収納筒８内に封入されている。封止樹脂９は、金属フィラの添加等により防水性能を高めたエポキシ樹脂から構成されている。
【００２０】
なお、図中、符号１１は、ＴＡＢリード１０に固体撮像素子２との接続用に設けられたバンプであり、１２は、アクリル樹脂からなりＴＡＢリード７と透明保護板４とを接着する樹脂層であり、１４は、透明保護板４、固体撮像素子２、回路モジュール５，セラミックべース板６、およびＴＡＢリード１０からなる固体撮像素子ユニットである。
【００２１】
次に、この固体撮像装置１の製造を順を追って説明する。
【００２２】
まず、図２（ａ）に示すように、転写バンプ法等によりＡｕ等によりＴＡＢリード１０に形成したバンプ１１と固体撮像素子２の電極パッド（図示省略）とをシングルポイントボンディング法等により接続する。そして、図２（ｂ）に示すように、ＴＡＢリード１０と固体撮像素子２を接続した部分にアクリル樹脂からなる樹脂層１２を塗布したうえで撮像面３上に透明保護板４を載置し、樹脂層１２によって透明保護板４を固体撮像素子２に接着する。
【００２３】
次に、電極ピン１３を間に挟んだ状態で、回路モジュール５とセラミックベース板６とを積層配置し、さらには、回路モジュール５どうしおよび回路モジュール５とセラミックべース板６の配線パターン（図示省略）とを、介装した電極ピン１３によって接続する。そして、図２（ｃ）に示すように、回路モジュール５上に、ＴＡＢリード１０を接続した固体撮像素子２とを配置し、はんだによる熱圧着法等により、ＴＡＢリード１０をセラミックベース板６にＯＬＢ（アウターリードボンディング）し、これにより、固体撮像素子ユニット１４を形成する。
【００２４】
図３に示すように、このようにして形成した固体撮像素子ユニット１４を収納する収納筒８を用意し、固体撮像素子１４と収納筒８とにシランカップリング処理を施して、その表面にシランカップリング処理層１５を形成する。シランカップリング処理は、固体撮像素子ユニット１４の表面および収納筒８の表面にシラン系カップリング剤を塗布したのち、１５０℃で約１００分焼成し、図４のモデルに示めされるような層１５を形成することをいう。なお、シランカップリング処理層１５は極薄い層であるので、図４にのみ図示し、その他の図では図示を省略している。また、シランカップリング処理層１５に代えて、チタン系カップリング剤を用いたチタンカップリング処理を施してなるチタンカップリング処理層を形成してもよい。
【００２５】
シランカップリング処理層１５を形成したのち、固体撮像素子ユニット１４を収納筒８内に挿入配置する。そして、収納筒８と固体撮像素子ユニット１４との間の隙間に封止樹脂９となる材料樹脂（例えば、金属フィラを混入したエポキシ樹脂）を充分気泡を脱気した状態で隙間無く充填する。そして、充填した材料樹脂に対して、例えば、（１３０℃，３０分）→（１６０℃，３時間）の熱処理を加えることで熱硬化させて封止樹脂９を形成する。このとき、収納筒８や固体撮像素子ユニット１４の表面は、シランカップリング処理層１５が形成されているので、封止樹脂９は、収納筒８に対しても、また、固体撮像素子ユニット１４に対して強固に接着されることになる。そのため、収納筒８と封止樹脂９との間や、固体撮像素子ユニット１４と封止樹脂９との間に、水分の侵入を許容する隙間は形成されない。このようにして、固体撮像装置１が作製される。
【００２６】
ところで、固体撮像装置１において最も防水性が要求される箇所は固体撮像素子２と透明保護板６との接着端縁２ａであり、接着端縁２ａの防水性は封止樹脂領域９ａの封止樹脂充填量によって左右される。以下、このことを説明する。
【００２７】
接着端縁２ａには、固体撮像装置１の透明保護板側表面１ａと、セラミックべース板側表面１ｂとから水分が侵入するが、これら表面のうち、接着端縁２ａにより近接する表面、つまり、セラミックべース板側表面１ａから侵入してくる水分が、接着端縁２ａの防水を維持するうえで問題となる。
【００２８】
セラミックべース板表面１ａと接着端縁２ａとの間には、封止樹脂９の封止樹脂領域９ａが介在しており、この封止樹脂領域９ａによってセラミックべース板表面１ａから侵入する水分を遮断している。したがって、１４０℃の飽和水蒸気環境で１回当たり２０分行うオートクレーブを所定回数（例えば３０００回）行うというオートクレーブの使用条件のもとでも、水分が封止樹脂領域９ａを拡散透過しなければ、接着端縁２ａの防水性は維持できる。
【００２９】
そこで、封止樹脂９を構成する樹脂材料の上記オートクレーブ条件での水の拡散距離Ｌを算出する。そして、セラミックべース板側表面１ａから接着端縁２ａにわたる封止樹脂領域９ａの樹脂幅（図１中，Ｈで表示）が、算出した上記拡散距離Ｌより長くなるように封止樹脂領域９ａの大きさを設定する。
【００３０】
図５は、封止樹脂９の材料として選定した、フィック型拡散を示すエポキシ樹脂の一種の実験結果の一例を示したものであって、横軸は時間ｔ（ここでは、√ｔ）を示しており、縦軸は、平板上に薄く延ばした材料樹脂（エポキシ樹脂）に所望の条件（上記したオートクレーブ条件）で水が吸脱着させたときにおける材料樹脂（エポキシ樹脂）の重量変化率を示している。
【００３１】
図５の実験結果から導かれるように、フィック型拡散を示す材料樹脂（エポキシ樹脂）における水の拡散係数Ｄは次に示す▲１▼の実験式に従う傾きθから一般に求めることができる。
【００３２】
【００３３】
さらに、このような拡散係数Ｄを有する材料樹脂（エポキシ樹脂）を、上記したオートクレーブ条件の元にｔ秒間晒した際の、材料樹脂（エポキシ樹脂）における水粒子の平均拡散距離Ｌは次の▲２▼式で表される。
【００３４】
Ｌ＝√（４Ｄｔ）…▲２▼
▲２▼式により、上述したオートクレーブの使用条件において、材料樹脂（エポキシ樹脂）に水が拡散する距離（平均拡散距離の平均値）Ｌは約１．６μｍと計算できる。
【００３５】
そのため、算出した拡散距離（１，６μｍ）より封止樹脂領域９ａの幅Ｈが長くなるように封止樹脂領域９ａの大きさを設定すれば、この材料樹脂（エポキシ樹脂）で構成された封止樹脂領域９ａでは、接着端縁２ａから隙間３ａ内に水分が侵入することはなくなる。この固体撮像装置１では、撮像素子２上に透明保護板４を載置して、透明保護板４を露出させている構造上、封止樹脂領域９ａの幅Ｈは透明保護板４の厚みと同等となっている。したがって、透明保護板４として、５００μｍ程度の厚みを有するガラス板を用いる固体撮像装置１において、拡散係数Ｄ＝１０．５μｍ2の材料樹脂（エポキシ樹脂）からなる封止樹脂領域９ａを形成すれば、オートクレーブ処理を重ねて行っても、隙間３ａ内に水分が侵入することはない。
【００３６】
なお、上述した説明においては、封止樹脂９の材料樹脂として、エポキシ樹脂を例に説明したが、本発明は、封止樹脂として他のシリコン樹脂等のフィック型拡散を示す樹脂を用いた場合であっても同様に適用することができる。
【００３７】
また、封止樹脂９の形成にあたっては材料樹脂と被接着物（固体撮像素子ユニット１４や収納筒８）との熱膨張率の差による剥がれを防止する必要がある。
【００３８】
そうしないと、
・固体撮像素子ユニット１４（この場合、特に、問題となるのは透明保護板４）と封止樹脂９との間で樹脂剥がれが発生した場合には、剥がれた場所から水が浸透して隙間３ａに侵入してしまう、
・収納筒８と封止樹脂９との間で樹脂剥がれが発生する場合には、収納筒８内面と接着端縁２ａとのわたる封止樹脂領域９ａの厚み（図１でＫで表示）も、上述の方法で算出した平均拡散距離Ｌより大きくする必要があり、封止樹脂領域９ａの大きさの設計が複雑化する、
といった不都合が生じる。
【００３９】
しかしながら、この固体撮像装置１では、収納筒８の内面や固体撮像素子ユニット１４にシランカップリング処理層１５を形成することで、収納筒８や固体撮像素子ユニット１４の樹脂接着力を高めており、懸念している樹脂剥がれは発生しない。
【００４０】
また、固体撮像素子ユニット１４と封止樹脂９との間で樹脂剥がれが発生しないようにするためには、固体撮像素子ユニット１４と封止樹脂９との間の熱膨張係数の差が重要となる。この固体撮像装置１では、封止樹脂９と固体撮像素子ユニット１４との間で熱膨張係数の差が１桁以下（封止樹脂９の熱膨張係数をαとして、固体撮像素子ユニット１４の熱膨張係数をβとすると、β×１０≧α≧β×０．１の値を満足する）である樹脂材料を封止樹脂９として用いている。そのため、固体撮像素子ユニット１４と封止樹脂９との間で樹脂剥がれが発生することはない。
【００４１】
次に、本発明を、封止樹脂領域９ａに用いる樹脂材料の選定方法として規定した実施の形態について、上述した固体撮像装置１を参照して説明する。すなわち、幅Ｈの封止樹脂領域９ａを有する固体撮像装置１において、上述したオートクレーブの使用条件をクリアして、隙間３ａに水分が侵入しないようにするためには、封止樹脂領域９ａに充填する樹脂材料を次のように選定すればよい。すなわち、上述した▲１▼式や図５を元にしてオートクレーブ条件での各樹脂材料の拡散係数Ｄを算出し、算出した拡散係数Ｄを上記▲２▼式に代入することで拡散距離Ｌを算出する。そして、算出した拡散距離Ｌと、固体撮像装置１の封止樹脂領域９ａの幅Ｈとを比較し、Ｌ＜Ｈとなる樹脂材料は封止樹脂領域９ａに充填する樹脂材料に適しているとして選定する一方、Ｌ≧Ｈとなる樹脂材料は封止樹脂領域９ａに充填する樹脂材料に適していないとして除外する。このようして、樹脂材料を選定すれば、オートクレーブに起因する接続不良や画像不良を未然に防止することができる。
【００４２】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、次のような効果を奏する。
【００４３】
請求項１の効果
樹脂露出面と接着端縁とにわたる樹脂幅が封止樹脂の水拡散距離より広いため、固体撮像装置が含水環境に滞留する時間を超過しても水分は封止樹脂の内側の表面、すなわち、撮像面と透明保護板との接着端縁まで達することはなくなる。そのため、オートクレーブ処理を行っても、固体撮像素子の撮像面と透明保護板との間に水分が浸入することがなくなり、水の侵入に起因する接続不良、撮像画像乱れを防止することができる。
【００４４】
請求項２の効果
接着端縁と封止樹脂との間の収納筒と封止樹脂との間に隙間が形成されることがなくなり、さらに防水性能を高めることができる。
【００４５】
請求項３の効果
充填樹脂が熱膨張する具合と回路モジュールが熱膨張する具合との間で隔たりがほとんどなくなり、充填樹脂と回路モジュールとの熱膨張具合の隔たりに起因する樹脂剥がれが発生しなくなり、さらに防水性能を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態における固体撮像装置の構造を示す断面図である。
【図２】一実施の形態の固体撮像装置の前半の組み立て工程をそれぞれ示す図である。
【図３】一実施の形態の固体撮像装置の製造途中の状態を示す図である。
【図４】シランカップリング処理工程の説明図である。
【図５】フィック型拡散を示すエポキシ樹脂の実験結果を示す図である。
【図６】従来例の固体撮像装置構造を示す断面図である。
【符号の説明】
１ 固体撮像装置 ２ 固体撮像素子
２ａ 接着端縁 ３ 撮像面
４ 透明保護板 ５ 回路モジュール
８ 収納筒 ９ 封止樹脂
９ａ 封止樹脂領域 ９ｂ 充填樹脂領域
１４ 固体撮像素子ユニット １５ シランカップリング処理層
Claims (3)
- 撮像面が透明保護板で覆われた固体撮像素子と、前記透明保護板の接着端縁を被覆して、前記接着端縁を介して前記透明保護板と前記固体撮像素子の隙間に水分が侵入することを防止する封止樹脂とを備えた固体撮像装置であって、
収納筒を備えるとともに、前記固体撮像素子を、前記透明保護板を筒端に露出させた状態で前記収納筒に収納しており、
かつ、前記封止樹脂は、前記収納筒の内面と前記接着端縁との間に充填されており、
前記封止樹脂は、固体撮像装置が１４０℃の飽和水蒸気環境に晒される１回当たり２０分行うオートクレーブを所定回数行うという使用条件及び固体撮像装置が水蒸気に晒されている時間を変数としたフィックの拡散法則から求められるこの封止樹脂の水拡散距離より、前記透明保護板表面から前記接着端縁にわたる封止樹脂領域の樹脂幅が広いものであることを特徴とする固体撮像装置。 - 請求項１記載の固体撮像装置であって、前記接着端縁および前記収納筒の内面には、その周面にわたってシランカップリング処理層ないしチタンカップリング処理層が形成されていることを特徴とする固体撮像装置。
- 請求項１記載の固体撮像装置であって、固体撮像素子を駆動する駆動回路部品を実装して前記収納筒に収納される回路モジュールと、この回路モジュールを収納筒内に封入する充填樹脂とを更に備えており、
かつ、前記充填樹脂の熱膨張係数をαとし、前記回路モジュールの熱膨張係数をβとすると、充填樹脂は、β×１０≧α≧β×０．１の値を満足する樹脂材料から構成されていることを特徴とする固体撮像装置。
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