JP6335636B2 - 撮像モジュールおよび内視鏡 - Google Patents

Description

本発明は、撮像素子が発生する熱を放熱する冷却デバイスを具備する撮像モジュールおよび前記撮像モジュールを有する内視鏡に関する。

受光部が撮像面に形成された撮像素子を有する撮像モジュールは小型であるため、電子内視鏡等に使用されている。内視鏡は高画質化のニーズが高まり、これを実現するために撮像素子は高画素化が進んでいる。撮像素子の高画素化によって消費電力は大きくなる。このため撮像素子の発生する熱量が増加し温度が上昇するおそれがある。撮像素子の温度が上昇すると、撮像素子が劣化したり、また熱ノイズにより画像品質が悪化したりすることがある。

撮像素子が発生した熱を放熱するためには、例えば内視鏡の先端部を大きくして放熱効果を上げることが考えられる。しかし、低侵襲化が求められている内視鏡の先端部を大きくすることは、好ましくない。

特開２００９−２４７５６０号公報には、撮像素子が実装された配線板に、撮像素子を冷却する冷却デバイスを配設し、冷媒循環チューブを介して冷媒を循環させることで先端部を強制冷却する内視鏡装置が開示されている。

しかし、上記従来の内視鏡装置では、撮像素子が発生した熱は配線板を介して冷却デバイスに伝熱されるため、冷却効率が良いとはいえず、十分な冷却効果を得られないおそれがあった。

特開２００９−２４７５６０号公報

本発明は、撮像素子が発生した熱を効率的に放熱する撮像モジュール、および、前記撮像モジュールを有する内視鏡を提供することを目的とする。

本発明の実施形態の撮像モジュールは、撮像面と裏面とを有する撮像素子と、前記撮像素子の撮像部と電気的に接続されている配線板と、第１の主面と前記第１の主面と対向している第２の主面とを有する略直方体の冷却デバイスと、を具備し、前記冷却デバイスが前記撮像素子と前記配線板との間に配置されており、前記撮像素子の裏面と前記冷却デバイスの前記第１の主面とが、熱伝導率が１Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の高熱伝導率材料を介して結合しており、前記冷却デバイスの前記第２の主面と前記配線板の主面とが対向配置しており、前記冷却デバイスの内部に液体が循環する空洞部があり、前記空洞部が、前記液体が流入する流入パイプと前記液体が排出される排出パイプと連通されており、かつ、前記冷却デバイスの筐体が導電性材料からなり、前記配線板の前記主面に、前記配線板の接地電位線と電気的に接続されている導電膜が配設されており、前記冷却デバイスの前記第２の主面と前記配線板の前記主面とが、導電性部材により接合されている。

また、本発明の別の実施形態の内視鏡は、撮像面と裏面とを有する撮像素子と、前記撮像素子の撮像部と電気的に接続されている配線板と、第１の主面と前記第１の主面と対向している第２の主面とを有する略直方体の冷却デバイスと、を具備し、前記冷却デバイスが前記撮像素子と前記配線板との間に配置されており、前記撮像素子の裏面と前記冷却デバイスの前記第１の主面とが、熱伝導率が１Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の高熱伝導率材料を介して結合しており、前記冷却デバイスの前記第２の主面と前記配線板の主面とが対向配置しており、前記冷却デバイスの内部に液体が循環する空洞部があり、前記空洞部が、前記液体が流入する流入パイプと前記液体が排出される排出パイプと連通されており、かつ、前記冷却デバイスの筐体が導電性材料からなり、前記配線板の前記主面に、前記配線板の接地電位線と電気的に接続されている導電膜が配設されており、前記冷却デバイスの前記第２の主面と前記配線板の前記主面とが、導電性部材により接合されている撮像モジュールを挿入部の先端部に有する。

本発明の実施形態によれば、撮像素子が発生した熱を効率的に放熱する撮像モジュール、および、前記撮像モジュールを有する内視鏡を提供できる。

第１実施形態の撮像モジュールの分解図である。 第１実施形態の変形例１の撮像モジュールの分解図である。 第１実施形態の変形例２の撮像モジュールの分解図である。 第２実施形態の撮像モジュールの分解図である。 第２実施形態の撮像モジュールの分解図である。 第２実施形態の変形例の冷却デバイスの部分断面図である。 第３実施形態の撮像モジュールの分解図である。 第４実施形態の内視鏡の外面図である。

＜第１実施形態＞
図１に示すように、第１実施形態の撮像モジュール１は、カバーガラス（ガラスリッド）１０と、撮像素子２０と、冷却デバイス３０と、配線板４０と、を具備する。冷却デバイス３０は撮像素子２０と配線板４０との間に配置されている。

なお、以下の説明において、各実施の形態に基づく図面は、模式的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、夫々の部分の厚みの比率などは現実のものとは異なることに留意すべきであり、図面の相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。

撮像面２０ＳＡと裏面２０ＳＢとを有する撮像素子２０は、撮像面２０ＳＡに固体撮像回路からなる撮像部２１が形成されている略直方体のチップである。なお、撮像部２１は、ＣＣＤまたはＣＭＯＳセンサ等からなる。撮像素子２０は裏面照射型であってもよい。

撮像素子２０の側面２０ＳＳには冷却デバイス側に延設された複数のリードピン２２が配設されている。すなわち、撮像素子２０はＤＩＰ(Dual Inline Package)タイプの半導体素子である。カバーガラス１０は、撮像素子２０の撮像面２０ＳＡに例えば透明接着剤により接着されている。なお、カバーガラス１０は、撮像モジュール１の必須構成要素ではない。

第１の主面３０ＳＡと第２の主面３０ＳＢとを有する冷却デバイス３０の筐体には冷媒である水等の液体が循環する空洞部３２がある。空洞部３２は液体が流入する循環パイプ３１Ａと、液体が排出される循環パイプ３１Ｂと連通している。すなわち、冷却デバイス３０は、図示しない冷媒循環システムから送液された冷媒により強制冷却される。

冷却デバイス３０の筐体は、樹脂等により構成されていてもよいが、特に熱伝導率λが１５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上、例えば、銅（λ＝３９８Ｗ／（ｍ・Ｋ））、アルミニウム（λ＝２３７Ｗ／（ｍ・Ｋ））鉄（λ＝８４Ｗ／（ｍ・Ｋ））、リン青銅（λ＝６０Ｗ／（ｍ・Ｋ））、または、ステンレス（λ＝１７Ｗ／（ｍ・Ｋ））等を用いることが好ましい。なお、冷却デバイス３０に接続された循環パイプ３１Ａ、３１Ｂは、非導電性の樹脂チューブであってもよい。

そして、冷却デバイス３０の第１の主面３０ＳＡと撮像素子２０の裏面２０ＳＢとは、熱伝導率が、１Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の高熱伝導率材料からなる中間層３９を介して結合（Combine）している。高熱伝導率材料としては、例えば、熱伝導率が２〜３Ｗ／（ｍ・Ｋ）のシリコーン樹脂等を用いることが好ましい。しかし、中間層３９は熱伝導率が１Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の材料であれば、固体に限られず、液体またはゲル状であってもよい。

すなわち、本明細書において、「結合（Combine）」とは、面と面とが固体の接着剤等によって接着され固定されている状態だけなく、液体またはゲル状のペースト等を介して、固定されることなく密着状態になっている状態も含む概念である。

撮像素子２０と冷却デバイス３０とは、伝導率が０．０３Ｗ／（ｍ・Ｋ）と非常に低い空気が面と面との間に熱介在しないように中間層３９を介して面と面とが密着しているため伝熱効率が高い。

冷却デバイス３０の第２の主面３０ＳＢと接着層４９を介して対向配置している先端面である主面４０ＳＡを有する配線板４０は、側面４０ＳＳに複数の接続電極４１が配設されている。なお、接着層４９として中間層３９と同じ高熱伝導率材料を用いてもよい。

接続電極４１は図示しない内部配線等を介して、リード線４３と電気的に接続されている。なお、図１に示した撮像モジュール１では、配線板４０にはチップコンデンサ等の電子部品４２が表面実装されているが、配線板４０に電子部品４２が内蔵されていてもよい。

撮像素子２０のリードピン２２は、配線板４０の側面の接続電極４１と接合されている。すなわち、撮像素子２０の撮像部２１は、リードピン２２および接続電極４１等を介してリード線４３と電気的に接続されている。撮像素子２０はリード線４３と電気的に接続されているプロセッサ（不図示）と電気信号のやりとりをする。

撮像モジュール１は、撮像素子２０の裏面２０ＳＢが強制冷却される冷却デバイス３０と、中間層３９を介して密着しているため、撮像素子２０が発生した熱を効率的に放熱する。また、冷却デバイス３０が撮像素子２０と配線板４０との間に配置されているスタック構造のため、径方向（外周方向）に冷却デバイスを配置している従来の撮像モジュールよりも細径である。

＜第１実施形態の変形例＞
次に第１実施形態の変形例の撮像モジュール１Ａ、１Ｂについて説明する。撮像モジュール１Ａ、１Ｂは、撮像モジュール１と類似しているので同じ機能の構成要素には同じ符号を付し説明は省略する。

＜変形例１＞
図２に示すように変形例１の撮像モジュール１Ａでは、配線板４０Ａの先端面４０ＳＡの略全面に、銅等の導電体からなる、いわゆるベタ配線である導電膜４５が配設されている。導電膜４５は、接地電位（ＧＮＤ電位）の接続電極４１Ｅと電気的に接続されている。一方、冷却デバイス３０Ａの筐体は金属等の導電性材料からなる。そして、配線板４０Ａの先端面４０ＳＡの導電膜４５と、冷却デバイス３０Ａの第２の主面３０ＳＢとが、導電性材料からなる接着層４９Ａにより接合されている。接着層４９は、導電性樹脂または半田等の金属材料からなる。なお、冷却デバイス３０Ａの第２の主面３０ＳＢの半田接合性がよくない場合には、第２の主面３０ＳＢに半田接合性のよい導電膜が配設されていてもよい。

撮像モジュール１Ａは、撮像モジュール１の効果を有し、さらに大きな冷却デバイス３０Ａが接地電位となるため、接地電位が強固に安定しており、撮像素子２０が出力する撮像信号の品質が高い。

なお、図示しないが、撮像素子２０の裏面２０ＳＢの略全面にも導電膜４５と同じ材料からなる導電膜を配設し、冷却デバイス３０Ａの第１の主面３０ＳＡと接着層４９と略同じ中間層３９により接合してもよい。なお、例えば、半田からなる中間層３９の熱伝導率は３５Ｗ／（ｍ・Ｋ）と、１Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上である。この場合には、撮像素子２０の半導体が接地電位となるため、撮像素子２０が出力する撮像信号の品質がより高い。

＜変形例２＞
図３に示すように変形例２の撮像モジュール１Ｂでは、配線板４０Ｂの先端面４０ＳＡに凹部４９Ｈがあり、冷却デバイス３０が凹部４９Ｈと嵌合している。すなわち、配線板４０Ｂの冷却デバイス３０が配置される先端面４０ＳＡに、冷却デバイス３０の外形と略同一外形の凹部４９Ｈが形成されている。

そして、凹部４９Ｈに冷却デバイス３０が埋め込まれるように配置されている。冷却デバイス３０は第１の主面３０ＳＡが配線板４０Ｂの先端面４０ＳＡと同一、または一部が突出するように配置されている。冷却デバイス３０と配線板４０Ｂとを接着している接着層４９Ｂの材料は例えば、接着層４９と同じ導電性材料を用いることができる。

撮像モジュール１Ｂは、撮像モジュール１の効果を有し、さらに冷却デバイス３０を配線板４０に埋め込んできるため、長さが短い。また、冷却デバイス３０が配線板４０Ｂの接地電位線と接続されている撮像モジュール１Ｂは、撮像モジュール１Ａの効果を有する。

＜第２実施形態＞
次に第２実施形態の撮像モジュール１Ｃについて説明する。撮像モジュール１Ｃは、撮像モジュール１等と類似しているので同じ機能の構成要素には同じ符号を付し説明は省略する。

図４および図５に示すように、撮像モジュール１Ｃの撮像素子２０Ｃは、裏面２０ＳＢに撮像部２１と電気的に接続された裏面電極２３が配設されているＣＳＰ（Chip Size Package）タイプである。
そして、複数の裏面電極２３が、ＢＧＡ（Ball Grid Array）を構成している。

例えば樹脂などの非導電性素材からなる冷却デバイス３０Ｃの筐体の第１の主面３０ＳＡには、撮像素子２０Ｃの裏面電極２３と接合された第１の電極３３が配設されている。裏面電極２３および第１の電極３３は、いずれも銅等の熱伝導率が１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の金属導体からなる。すなわち、冷却デバイス３０Ｃの第１の主面３０ＳＡと撮像素子２０Ｃの裏面とは、熱伝導率が１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の材料からなる接合部を介して結合している。

なお、図示しないが、撮像素子２０Ｃの裏面２０ＳＢと冷却デバイス３０Ｃの第１の主面３０ＳＡとの間には、熱伝導率が１Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上のシリコーン樹脂等の高熱伝導性の絶縁材料からなる中間層が配設され、接合部が封止されていることが特に好ましい。

第２の主面３０ＳＢには側面配線３５を介して第１の電極３３と接続された第２の電極３４が配設されている。第２の電極３４は、裏面電極２３と類似の凸形状のバンプである。そして、配線板４０Ｃの先端面４０ＳＡには第２の電極３４と接合された接合電極４４が配設されている。冷却デバイス３０Ｃの側面配線３５の配設には、例えばＭＩＤ（Molded Interconnect Devices）等の直接描画方式で行われる。

撮像モジュール１Ｃでは、撮像素子２０Ｃ、冷却デバイス３０Ｃ、および配線板４０Ｃをスタックして電気的に接続することで、撮像素子２０Ｃの撮像部２１と配線板４０Ｃに接合されたリード線（不図示）とが電気的に接続される。

撮像モジュール１Ｃは、冷却デバイス３０Ｃに側面配線３５を配設することで、例えば、ＣＳＰタイプの撮像素子２０Ｃを有するスタック構造であるため、撮像モジュール１よりも更に細径である。

＜第２実施形態の変形例＞
次に第２実施形態の変形例の撮像モジュール１Ｄについて説明する。撮像モジュール１Ｄは、撮像モジュール１Ｃと類似しているので同じ機能の構成要素には同じ符号を付し説明は省略する。

図６に示すように、撮像モジュール１Ｄの冷却デバイス３０Ｄの筐体３８は、金属等の導電性材料からなる。しかし、その外表面は絶縁膜３７により覆われている。そして、絶縁膜３７の上に、第１の電極３３と側面配線３５と第２の電極３４とが配設されている。

すなわち、冷却デバイス３０Ｄは金属性であり、その外面に金属配線を配設するために、例えば、ポリイミド樹脂が薄くコーティングされている。

なお、第１の電極３３、第２の電極３４および側面配線３５の少なくともいずれかが接地電位となる冷却デバイス３０Ｄでは、接地電位となる第１の電極３３、第２の電極３４または側面配線３５においては、その下部の絶縁膜３７が除去され、接地電位となる電極または側面配線の絶縁膜が除去された部分と冷却デバイス３０Ｄの金属部とが電気的に導通し、冷却デバイス３０Ｄが接地電位となるように構成されていてもよい。

撮像モジュール１Ｄは、撮像モジュール１等の効果を有する。また、冷却デバイス３０Ｄが接地電位の撮像モジュール１Ｄは、撮像モジュール１Ａの効果を有する。

＜第３実施形態＞
次に第３実施形態の撮像モジュール１Ｅについて説明する。撮像モジュール１Ｅは、撮像モジュール１Ｃ等と類似しているので同じ機能の構成要素には同じ符号を付し説明は省略する。

図７に示すように、撮像モジュール１Ｅでは、撮像素子２０Ｅの撮像部２１Ｅの上面に、直角プリズム１０Ｅが配設されており、冷却デバイス３０Ｅと連通している循環パイプ３１Ａ、３１Ｂが、略直方体の冷却デバイス３０Ｅの側面、第１の主面３０ＳＡおよび第２の主面３０ＳＢに平行に配置されている。撮像素子２０Ｅの撮像面２０ＳＡには、撮像部２１Ｅの信号等を処理する周辺回路２９が形成されている。そして、直角プリズム１０Ｅは、周辺回路２９の上には配設されていない。撮像モジュール１Ｃと同様に撮像素子２０Ｅの裏面と冷却デバイス３０Ｄの第１の主面とは密着している。

すなわち、撮像モジュール１Ｅは、撮像素子２０Ｅ、冷却デバイス３０Ｅおよび配線板４０Ｅが、撮像方向に対して横方向に配置されている、いわゆる横置き型である。この撮像モジュール１Ｅは、撮像モジュール１の効果を有し、さらに、周辺回路２９が撮像部２１の周辺に形成されている高機能の撮像素子２０Ｅを有していながら細径である。

＜第４実施形態＞
次に第４実施形態の内視鏡９について説明する。図８に示すように、内視鏡９は挿入部３の先端部２に撮像モジュール１を有する電子内視鏡である。

内視鏡９は、挿入部３の基端側に配設された操作部４と、操作部４から延出するユニバーサルコード５と、を具備する。操作部４は術者が把持しながら操作する各種のスイッチ等が配設されている。撮像モジュール１のリード線４３は、挿入部３およびユニバーサルコード５を挿通し、ユニバーサルコード５の基端部に配設されたコネクタ６を介して、画像処理等を行う本体部（不図示）と接続される。

撮像モジュール１は、細径で超小型であるため、撮像モジュール１を先端部に有する内視鏡９は、低侵襲である。そして、内視鏡９においては、撮像モジュール１は、撮像素子２０が発生した熱を効率的に放熱するため、過度の昇温によって撮像素子２０が劣化したり、また熱ノイズによって画像品質が悪化したりするおそれがない。

なお、第１実施形態の撮像モジュール１に替えて、上述した、実施形態または変形例の撮像モジュール１Ａ〜１Ｅを有する内視鏡であっても、本実施形態の内視鏡９と同じ効果を有することは言うまでも無い。

本発明は上述した実施形態または変形例等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、改変等ができる。

１、１Ａ〜１Ｅ…撮像モジュール
９…内視鏡
１０…カバーガラス
２０…撮像素子
２２…リードピン
３０…冷却デバイス
３１Ａ、３１Ｂ…循環パイプ
３２…空洞部
３９…中間層
４０…配線板
４１…接続電極
４３…リード線
４４…接合電極
４５…導電膜
４９…接着層

Claims (10)

1. 撮像面と裏面とを有する撮像素子と、前記撮像素子の撮像部と電気的に接続されている配線板と、第１の主面と前記第１の主面と対向している第２の主面とを有する略直方体の冷却デバイスと、を具備し、
   前記冷却デバイスが前記撮像素子と前記配線板との間に配置されており、前記撮像素子の裏面と前記冷却デバイスの前記第１の主面とが、熱伝導率が１Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の高熱伝導率材料を介して結合しており、前記冷却デバイスの前記第２の主面と前記配線板の主面とが対向配置しており、
   前記冷却デバイスの内部に液体が循環する空洞部があり、前記空洞部が、前記液体が流入する流入パイプと前記液体が排出される排出パイプと連通されており、かつ、
   前記冷却デバイスの筐体が導電性材料からなり、
   前記配線板の前記主面に、前記配線板の接地電位線と電気的に接続されている導電膜が配設されており、
   前記冷却デバイスの前記第２の主面と前記配線板の前記主面とが、導電性部材により接合されていることを特徴とする撮像モジュール。
2. 撮像面と裏面とを有する撮像素子と、前記撮像素子の撮像部と電気的に接続されている配線板と、第１の主面と前記第１の主面と対向している第２の主面とを有する略直方体の冷却デバイスと、を具備し、
   前記冷却デバイスが前記撮像素子と前記配線板との間に配置されており、前記撮像素子の裏面と前記冷却デバイスの前記第１の主面とが、熱伝導率が１Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の高熱伝導率材料を介して結合しており、前記冷却デバイスの前記第２の主面と前記配線板の主面とが対向配置しており、
   前記冷却デバイスの内部に液体が循環する空洞部があり、前記空洞部が、前記液体が流入する流入パイプと前記液体が排出される排出パイプと連通されており、かつ、
   前記撮像素子の前記裏面に、前記撮像部と電気的に接続された裏面電極が配設されており、
   前記冷却デバイスの前記第１の主面に、前記撮像素子の前記裏面電極と接合された第１の電極が配設されており、前記第２の主面に側面配線を介して前記第１の電極と接続された第２の電極が配設されており、
   前記配線板の前記主面に前記第２の電極と接合された接合電極が配設されていることを特徴とする撮像モジュール。
3. 前記撮像素子と前記冷却デバイスとが、前記高熱伝導率材料からなる中間層を介して密着していることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の撮像モジュール。
4. 前記撮像素子の側面に前記冷却デバイス側に延設されたリードピンが配設されており、前記リードピンが、前記配線板の側面の接続電極と接合されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の撮像モジュール。
5. 前記配線板の前記主面に凹部があり、前記冷却デバイスが前記凹部と嵌合していることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の撮像モジュール。
6. 前記冷却デバイスが、非導電性材料からなることを特徴とする請求項２に記載の撮像モジュール。
7. 外表面が絶縁膜により覆われている、導電体からなる前記冷却デバイスの前記絶縁膜の上に、前記第１の電極と前記側面配線と前記第２の電極とが配設されていることを特徴とする請求項２に記載の撮像モジュール。
8. 前記第１の電極、前記第２の電極および前記側面配線の少なくともいずれかと電気的に接続されている前記冷却デバイスが接地電位であることを特徴とする請求項７に記載の撮像モジュール。
9. 前記撮像素子の前記撮像部の上面に、直角プリズムが配設されており、
   前記冷却デバイスに前記液体を給排出する循環パイプが、前記冷却デバイスの前記第１の主面に平行に配置されていることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の撮像モジュール。
10. 請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の撮像モジュールを挿入部の先端部に有することを特徴とする内視鏡。

Images