JP3896586B2 - 固体撮像装置及び固体撮像カメラ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、CCD等の固体撮像素子からなる固体撮像装置及びこの固体撮像装置を用いた固体撮像カメラに関し、さらに詳しくは、固体撮像素子及びその信号処理IC用半導体ベアチップの高密度実装と薄型化を可能にし、かつレンズの像面湾曲の影響を受けにくい固体撮像装置及びこの固体撮像装置を用いた固体撮像カメラに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来の固体撮像装置及びこの固体撮像装置を用いた固体撮像カメラについて、図5を参照して説明する。図5は従来における固体撮像カメラの概略構成を示す断面図である。
この図5において、固体撮像カメラは、固体撮像装置500及びレンズアッセンブリ−600を備えている。
固体撮像装置500は、上面に光取り込み用の開口部501Aが形成され下面が開放されたセラミックパッケージ501を有し、このセラミックパッケージ501の下面には、その開口を閉鎖するようにして配線基板502が固着され、この配線基板502のパッケージ側内面には信号処理ICを構成する半導体ベアチップ503が実装されている。
また、セラミックパッケージ501内の開口部501Aと対向する箇所には平板状の固体撮像素子504がフリップチップ実装され、さらに、セラミックパッケージ501の上面には、その開口部501Aを封止するシールガラス505が取り付けられている。
なお、配線基板502とセラミックパッケージ501は半田接合される。このとき、固体撮像素子504と信号処理IC用の半導体ベアチップ503の間には、0.2mm程度の空間的な隙間が寸法公差の兼ね合いから必ず発生していた。また、固体撮像素子504の厚みとしては、機械的強度を確保するために0.3mm程度の厚みが必要である。
【0003】
レンズアッセンブリ−600は、撮影光像を固体撮像装置500の固体撮像素子504上に結像する結像光学系を構成するもので、セラミックパッケージ501の開口部501A側上面に設けられたレンズ鏡筒601を備え、このレンズ鏡筒601内には撮像レンズ602がレンズ支持部材603により装着されている。また、レンズ支持部材603には絞り孔604が形成されており、さらに、レンズ鏡筒601内の撮像レンズ602の光出射側には赤外線カットフィルター605が配設されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このような固体撮像カメラの結像光学系に使用されるレンズにおいては、像面湾曲と称される収差が発生する。この場合、図6に示すように、固体撮像素子504の受光表面の中心部Aに撮像レンズ602の合焦位置を合わせても、固体撮像素子504の周辺部では、像面湾曲の影響により撮像レンズ602の焦点位置は点Bとなり、焦点ずれが発生してしまう。その結果、画像の中心部と周辺部で画質が不均一になるなど、撮像特性の劣化が発生していた。
また、携帯電話などに組み込まれる超小型カメラのように固体撮像カメラ全体の厚みを薄くしたいという要求に対して、薄くなるほど固体撮像カメラのレンズ設計は困難になり、画面全体に渡り焦点の合った薄型の固体撮像カメラを実現することは困難であった。
【0005】
本発明の目的は、結像光学系の像面湾曲による収差を補正できるとともに、薄型化の容易な固体撮像装置及びこれを使用した薄型で小型化の容易な固体撮像カメラを提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために本発明の固体撮像装置は、一方の面に結像光学系の収差により生じる像面湾曲に対応した湾曲面が形成された半導体ベアチップと、前記半導体ベアチップの湾曲面に該湾曲形状に沿わせて貼り合わされた可撓性を有する固体撮像素子とを備えることを特徴とする。
【0007】
本発明の固体撮像装置においては、固体撮像素子が半導体ベアチップの湾曲面に該湾曲形状に沿わせて貼り合わされた構造になっているため、半導体ベアチップを含めた固体撮像装置全体を薄型化することができ、しかも、固体撮像素子の受光面は結像光学系の像面湾曲に沿って湾曲されているため、結像光学系の像面湾曲による収差を補正することができ、かつ固体撮像素子の受光面の全域にわたり焦点の合った固体撮像装置を提供することができ、周辺ボケの少ない良好な画質が得られる。
【0008】
また、本発明は、固体撮像装置と、前記固体撮像装置の光入射側に配置され撮影光像を結像させる結像光学ユニットとを有する固体撮像カメラであって、前記固体撮像装置は半導体ベアチップと固体撮像素子とを備え、前記半導体ベアチップは、一方の面に結像光学系の収差により生じる像面湾曲に対応した湾曲面を有し、前記固体撮像素子は可撓性を有し、前記半導体ベアチップの湾曲面に該湾曲形状に沿わせて貼り合わされていることを特徴とする。
【0009】
本発明の固体撮像カメラにおいては、半導体ベアチップの一方の面に結像光学系の収差により生じる像面湾曲に対応した湾曲面を形成し、この湾曲面に固体撮像素子を貼り合わせて固体撮像装置を構成するとともに、この固体撮像装置を結像光学ユニットに組み付けることで固体撮像カメラを構成するようにしたので、固体撮像装置自体の薄型化に伴い、固体撮像カメラを小型化及び薄型化することができる。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
図1(A),(B)は本発明の第1の実施の形態における固体撮像装置の製造過程を示す説明用断面図、図2は第1の実施の形態に示す固体撮像装置に結像光学ユニットを組み付けて固体撮像カメラを構成した場合の説明用断面図である。
【0011】
図1において、固体撮像装置10は、実装用の配線基板12、半導体ベアチップ14及び固体撮像素子16等を備えている。
半導体ベアチップ14は、固体撮像装置10の信号処理IC(集積回路)を構成するためのもので、例えば固体撮像素子16からのアナログ信号をYUV8Bitのフォーマットにして出力する機能、12Cバス通信により外部からカメラ機能の入力信号を受けて制御を行う機能、または、不揮発性メモリを搭載して、ホワイトバランスのユーザー設定値、色再現設定値、欠陥補正パラメータなどの初期設定を行う機能などを備える。
また、半導体ベアチップ14の裏面、すなわち、信号処理用ICが形成される面と反対の面には、図1(A),(B)に示すように、結像光学系の収差により発生する像面湾曲に対応した球面状の湾曲面141が形成されている。
また、このような半導体ベアチップ14は、その湾曲面141が上面を向くようにして、信号処理用IC形成面側が配線基板12上にフリップチップ実装されている。
また、半導体ベアチップ14の湾曲面141には、固体撮像素子16が湾曲面141の湾曲形状に沿わせて貼り合わされている。
【0012】
以下、本発明の固体撮像装置の製造方法について、図1を参照して説明する。
まず、半導体ベアチップ14の裏面を結像光学系の撮像レンズの像面湾曲率に沿って、機械的切削工法などにより球面状に加工することにより湾曲面141を形成する。或いは、後退性レジストを用いて、半導体ベアチップ14の中心に微小な開口部を設け、等方性ドライエッチング技術により、球面状の湾曲面141を加工するようにしても良い。この場合、最も薄い中心部の厚さは、200μm程度とすることが機械強度的に安全であるが、100μm 程度まで薄くしても良い。
【0013】
次に、コンデンサなどの受動部品18を配線基板12に実装した後に、半導体ベアチップ14を配線基板12にフリップチップ実装する。この際、半導体ベアチップ14のAl電極にAuバンプ20を形成して、配線基板12の電極と超音波接合法により実装する。また、この時の半導体ベアチップ実装方法としては、Agペーストによる接合などの方法であっても良い。また、半導体ベアチップ実装には、ACF(異方性導電フィルム)による接合なども可能である。
半導体ベアチップ14を配線基板12に実装した後は、樹脂によるアンダーフィルを行い、半導体ベアチップ14と配線基板12との機械的結合強度を補強する。
【0014】
次に、固体撮像素子16の裏面、すなわち受光面と反対の面を研削することにより、固体撮像素子16を50μm 以下の厚さに加工する。好ましくは、20μm程度の厚さに加工する。これにより、固体撮像素子16に可撓性を持たせる。
次に、半導体ベアチップ14の湾曲面141、もしくは固体撮像素子16の裏面、もしくは両方に接着剤を塗布し、圧縮空気にて半導体ベアチップ14と固体撮像素子16の裏面同士を接着させる。こうすることによって、固体撮像素子16の受光面を半導体ベアチップ14の湾曲面141に沿って湾曲された状態、すなわち結像光学系の撮像レンズの像面湾曲率に湾曲させた状態に実装することができる。
次に、固体撮像素子16のAl電極と配線基板12の電極との間をボンディングワイヤー22により電気的に接続する。
【0015】
このような第1の実施の形態における固体撮像装置10によれば、配線基板12にフリップチップ実装された半導体ベアチップ14の裏面に結像光学系の撮像レンズの像面湾曲に応じた球面状の湾曲面141を形成し、半導体ベアチップ14の湾曲面141に該湾曲形状に沿わせて固体撮像素子16が貼り合わされた構造になっているため、半導体ベアチップ14を含めた固体撮像装置10全体を薄型化することができ、しかも、固体撮像素子16の受光面は結像光学系の像面湾曲に沿って湾曲されているため、結像光学系の像面湾曲による収差を補正することができ、かつ固体撮像素子16の受光面の全域にわたり焦点の合った固体撮像装置10を提供することができ、周辺ボケの少ない良好な画質が得られる。
また、この実施の形態によれば、半導体ベアチップ14と固体撮像素子16の配線基板12を共用化でき、固体撮像装置10の薄型化及び小型化を更に促進できる。
【0016】
因みに、図5に示す従来の固体撮像装置における半導体ベアチップ及び固体撮像素子を含む全体の厚さは、半導体ベアチップの厚み0.3mm+半導体ベアチップと固体撮像素子チップとの間の空間的隙間0.2mm+固体撮像素子チップの厚み0.3mm=0.8mmとなる。
これに対して、本発明の実施の形態に示す固体撮像装置10では、固体撮像素子16が半導体ベアチップ14の球面状の湾曲面141内に収容された構造になっているため、半導体ベアチップ14及び固体撮像素子16を含む全体の厚さは、実質的に半導体ベアチップ14のみの厚み0.3mmとなる。したがって、この実施の形態に示す半導体ベアチップ及び固体撮像素子を含む固体撮像装置10の厚さを従来の固体撮像装置の厚さの約1/3程度にすることができる。
【0017】
上記実施の形態では、半導体ベアチップ14の裏面を球面状に加工した場合について説明したが、本発明では円筒面状に加工してもレンズ収差による周辺ボケを改善できる効果がある。但し、球面状に加工する場合の方が、画面全体に亘り、レンズ収差による画面周辺のピンボケは改善される。また、固体撮像素子16としては、CCDイメージセンサであってもCMOSイメージセンサであっても同様の効果が得られる。
【0018】
次に、図2により上記第1の実施の形態に示す固体撮像装置に結像光学ユニットを組み付けた固体撮像カメラの構成について説明する。
図2において、固体撮像カメラ30は、固体撮像装置10と、この固体撮像装置10の光入射側に組み付けられ、固体撮像装置10の固体撮像素子16に撮影光像を結像させる結像光学ユニット32とを備える。
【0019】
上記結像光学ユニット32は、撮像レンズ321及びレンズ鏡筒322などを備えている。
レンズ鏡筒322は撮像レンズ321を装着できるとともに配線基板12に実装された半導体ベアチップ14をパッケージングするのに必要な長さを有し、このレンズ鏡筒322の後端は、レンズ鏡筒322の内側に半導体ベアチップ14が収容されるようにして配線基板12に結合されている。
また、このレンズ鏡筒322内の前端寄り箇所には撮像レンズ321がレンズ支持部材323によって装着されている。
上記レンズ支持部材323は、その外周面に形成した雄ねじ323Aをレンズ鏡筒322の内周面に形成した雌ねじ322Aに螺合される構造になっており、このレンズ支持部材323をレンズ鏡筒322に螺合してレンズ鏡筒322の軸線方向に移動することにより、固体撮像装置10の固体撮像素子16の受光面に対する撮像レンズ321のピント位置が調節できるようになっている。
【0020】
また、レンズ鏡筒322の前端には視野を制限する視野絞り部材324が設けられている。
また、固体撮像装置10の固体撮像素子16と対向する撮像レンズ321の光出射側箇所には赤外線カットフィルター325が配設されている。
なお、固体撮像装置10への塵埃の侵入を防止するために、レンズ鏡筒322の後端と配線基板12との間の隙間は樹脂材により封止されている。
【0021】
このような本実施の形態における固体撮像カメラ30によれば、配線基板12に実装された半導体ベアチップ14の裏面に撮像レンズ321の像面湾曲に応じた湾曲面141を形成し、この湾曲面141に固体撮像素子16を貼り合わせてなる固体撮像装置10を結像光学ユニット32に組み付けて固体撮像カメラ30を構成したので、固体撮像装置10自体を薄型化できることに伴い、固体撮像カメラ30を小型化及び薄型化することができる。
また、この実施の形態によれば、固体撮像素子16の受光面は結像光学系の像面湾曲に沿って湾曲されているため、半導体ベアチップ14の曲率を変更することにより、各種の撮像レンズに対応可能である。
【0022】
次に、図3及び図4により本発明の固体撮像装置及び固体撮像カメラの第2の実施の形態について説明する。
図3は、第2の実施の形態における固体撮像装置の説明用断面図、図4は第2の実施の形態に示す固体撮像装置に結像光学ユニットを組み付けて固体撮像カメラを構成した場合の説明用断面図である。
【0023】
図3において、固体撮像装置40は、上記第1の実施の形態に示す場合と同様に構成された半導体ベアチップ14及び固体撮像素子16と、これらを密封状態に収容するパッケージ42などを備えている。
上記パッケージ42は、プラスチックまたはセラミックなどにより形成されており、このパッケージ42の底部は半導体ベアチップ14が実装される配線基板43により気密に覆われている。また、パッケージ42の上面板42Aには開口42Bが形成されている。
【0024】
上記半導体ベアチップ14は固体撮像素子16の信号処理用ICを構成するもので、その裏面には、上記第1の実施の形態に示す場合と同様に、結像光学系の収差により発生する像面湾曲に応じた球面状の湾曲面141が形成されている。
このように加工された半導体ベアチップ14は、その湾曲面141が上を向くようにしてパッケージ42内の配線基板43上にフリップチップ実装される。
この実装に際しては、配線基板43に半導体ベアチップ14と接合するための引き出し電極パッドが設け、この引き出し電極パッドと半導体ベアチップ14のAl電極をAuバンプ44により接合する。また、この接合方法には、超音波接合法またはAgペーストによる接合などがあり、別の方法であっても良い。
【0025】
半導体ベアチップ14が基板42Aに実装された後は、半導体ベアチップ14と配線基板43との間にアンダーフィル材を充填して、半導体ベアチップ14とパッケージ42との機械的結合強度を補強する。
次に、固体撮像素子16の裏面を上記第1の実施の形態に示す場合と同様に研磨して50μm以下、好ましくは20μm程度の厚さに加工し、固体撮像素子16可撓性を持たせる。
【0026】
次に、半導体ベアチップ14の湾曲面141、もしくは固体撮像素子16の裏面、もしくは両方に接着剤を塗布し、圧縮空気にて半導体ベアチップ14と固体撮像素子16の裏面同士を接着させる。こうすることによって、固体撮像素子16の受光面を半導体ベアチップ14の湾曲面141に沿って湾曲された状態、すなわち結像光学系の撮像レンズの収差による像面湾曲を補正する曲面に湾曲された状態に実装することができる。
次いで、固体撮像素子16のAl電極と配線基板43の電極との間をボンディングワイヤー45により電気的に接続する。
次に、上記パッケージ42の上面開口42Bを透明なシールガラス46により気密に封止する。また、シールガラス44の外表面には、赤外線カットフィルター膜47が蒸着などにより形成されている。
以上により、半導体ベアチップ14の湾曲面141に固体撮像素子16が湾曲して貼り合わされ、かつパッケージ42でパッケージングされた固体撮像装置40が構成される。
【0027】
次に、図4により上記第2の実施の形態に示す固体撮像装置に結像光学ユニットを組み付けた固体撮像カメラの構成について説明する。
図4において、固体撮像カメラ50は、パッケージングされた固体撮像装置40と、この固体撮像装置40の光入射側に組み付けられ、固体撮像装置40の固体撮像素子16に撮影光像を結像させる結像光学ユニット52とを備える。
【0028】
上記結像光学ユニット52は、撮像レンズ521及びレンズ鏡筒522などを備えている。
レンズ鏡筒522は撮像レンズ521を装着するのに必要な長さを有し、このレンズ鏡筒522内の前端寄り箇所には撮像レンズ521がレンズ支持部材523によって装着されている。
上記レンズ支持部材523は、その外周面に形成した雄ねじ523Aをレンズ鏡筒522の内周面に形成した雌ねじ522Aに螺合される構造になっており、このレンズ支持部材523をレンズ鏡筒522に螺合してレンズ鏡筒522の軸線方向に移動することにより、固体撮像装置40の固体撮像素子16の受光面に対する撮像レンズ521のピント位置が調節できるようになっている。
また、レンズ鏡筒522の前端には視野を制限する視野絞り部材524が設けられている。
このような結像光学ユニット52は、そのレンズ鏡筒322の後端をパッケージ42の上端面に結合することにより固体撮像装置40にマウントされている。
【0029】
このような第2の実施形態における固体撮像装置40によれば、上記第1の実施の形態に示す場合と同様に半導体ベアチップ14の裏面に結像光学系の撮像レンズの像面湾曲に応じた球面状の湾曲面141を形成し、半導体ベアチップ14の湾曲面141に該湾曲形状に沿わせて固体撮像素子16が貼り合わされた構造になっているため、半導体ベアチップ14を含めた固体撮像装置40全体を薄型化することができ、しかも、固体撮像素子16の受光面は結像光学系の像面湾曲に沿って湾曲されているため、結像光学系の像面湾曲による収差を補正することができ、かつ固体撮像素子16の受光面の全域にわたり焦点の合った固体撮像装置10を提供することができ、周辺ボケの少ない良好な画質が得られる。
また、この実施の形態によれば、半導体ベアチップ14と固体撮像素子16の配線基板43を共用化できるとともに、パッケージ42も共用化することができる。これにより、固体撮像装置40の薄型化及び小型化を更に促進できる。
また、半導体ベアチップ14を含む固体撮像素子16をパッケージ42でパッケージングすることにより、固体撮像素子表面へのゴミの侵入を完全に防ぐことができ、製造歩留まりを向上できる。
【0030】
また、この第2の実施の形態による固体撮像装置40を結像光学ユニット52に組み付けることで固体撮像カメラ50を構成するようにしたので、固体撮像装置40自体の薄型化に伴い、固体撮像カメラ50を小型化及び薄型化することができる。
【0031】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の固体撮像装置によれば、信号処理系、駆動系などの機能を有する半導体ベアチップと固体撮像素子とを貼り合せることによって、薄型の固体撮像装置を実現できる。
また、半導体ベアチップの裏面を球面状もしくは円筒状に加工し、その曲面形状に沿って、薄く加工した固体撮像素子を接着することで、固体撮像素子の素子面をレンズの収差を吸収するように湾曲させることができ、薄型で且つ、画面の全領域に渡って焦点が合った固体撮像装置を得ることができる。
【0032】
また、本発明の固体撮像カメラによれば、半導体ベアチップの一方の面に結像光学系の収差により生じる像面湾曲に対応した湾曲面を形成し、この湾曲面に固体撮像素子を貼り合わせて固体撮像装置を構成するとともに、この固体撮像装置を結像光学ユニットに組み付けることで固体撮像カメラを構成するようにしたので、固体撮像装置自体の薄型化に伴い、固体撮像カメラを小型化及び薄型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】(A),(B)は本発明の第1の実施の形態における固体撮像装置の製造過程を示す説明用断面図である。
【図2】本発明の第1の実施の形態に示す固体撮像装置に結像光学ユニットを組み付けて固体撮像カメラを構成した場合の説明用断面図である。
【図3】本発明の第2の実施の形態における固体撮像装置の説明用断面図である。
【図4】本発明の第2の実施の形態に示す固体撮像装置に結像光学ユニットを組み付けて固体撮像カメラを構成した場合の説明用断面図である。
【図5】従来における固体撮像カメラの概略構成を示す断面図である。
【図6】撮像レンズの収差により生じる像面湾曲の説明図である。
【符号の説明】
10……固体撮像装置、12……配線基板、14……半導体ベアチップ、16……固体撮像素子、141……湾曲面、30……固体撮像カメラ、32……結像光学ユニット32、40……固体撮像装置、42……パッケージ、43……配線基板、46……シールガラス、50……固体撮像カメラ、52……結像光学ユニット。
Claims (11)
- 一方の面に結像光学系の収差により生じる像面湾曲に対応した湾曲面が形成された半導体ベアチップと、
前記半導体ベアチップの湾曲面に該湾曲形状に沿わせて貼り合わされた可撓性を有する固体撮像素子と、
を備えることを特徴とする固体撮像装置。 - 前記半導体ベアチップの他方の面に信号処理用集積回路が形成され、この他方の面が基板またはパッケージにフリップチップ実装されることを特徴とする請求項1記載の固体撮像装置。
- 前記半導体ベアチップの湾曲面は円筒面状または球面状であることを特徴とする請求項1記載の固体撮像装置。
- 前記固体撮像素子は受光面と、この受光面と反対側の面をなす裏面を有し、前記半導体ベアチップの湾曲面に沿わせて貼り合わされる前記固体撮像素子の面は前記裏面であり、前記固体撮像素子が有する可撓性は、前記裏面が前記固体撮像素子が所定の厚さになるまで研削されることにより付与されていることを特徴とする請求項1記載の固体撮像装置。
- 前記半導体ベアチップの他方の面は前記基板またはパッケージに樹脂によりアンダーフィルされていることを特徴とする請求項2記載の固体撮像装置。
- 固体撮像装置と、前記固体撮像装置の光入射側に配置され撮影光像を結像させる結像光学ユニットとを有する固体撮像カメラであって、
前記固体撮像装置は半導体ベアチップと固体撮像素子とを備え、
前記半導体ベアチップは、一方の面に結像光学系の収差により生じる像面湾曲に対応した湾曲面を有し、
前記固体撮像素子は可撓性を有し、前記半導体ベアチップの湾曲面に該湾曲形状に沿わせて貼り合わされている、
ことを特徴とする固体撮像カメラ。 - 前記半導体ベアチップの他方の面に信号処理用集積回路が形成され、この他方の面が基板またはパッケージにフリップチップ実装されることを特徴とする請求項6記載の固体撮像カメラ。
- 前記半導体ベアチップの湾曲面は円筒面状または球面状であることを特徴とする請求項6記載の固体撮像カメラ。
- 前記固体撮像素子は受光面と、この受光面と反対側の面をなす裏面を有し、前記半導体ベアチップの湾曲面に沿わせて貼り合わされる前記固体撮像素子の面は前記裏面であり、前記固体撮像素子が有する可撓性は、前記裏面が前記固体撮像素子が所定の厚さになるまで研削されることにより付与されていることを特徴とする請求項6記載の固体撮像カメラ。
- 前記半導体ベアチップの他方の面は前記基板またはパッケージに樹脂によりアンダーフィルされていることを特徴とする請求項7記載の固体撮像カメラ。
- 前記固体撮像装置の光入射側に赤外線カットフィルターが設けられていることを特徴とする請求項6記載の固体撮像カメラ。
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