KR19990081448A - 촬상용 카메라 시스템의 광학 렌즈와 일체화된 촬상소자 및 그조립 방법 - Google Patents

Abstract

촬상용 카메라 시스템의 광학 렌즈와 일체화된 촬상 소자 및 그 조립 방법이 개시된다. 본 발명에 따른 촬상용 카메라 시스템의 광학 렌즈와 일체화된 촬상 소자는, 하나 이상 N개의 광학 렌즈와, 렌즈들을 둘러싼 원통형 홀더로 이루어진 광학 렌즈부, 상단부가 원통형 구조를 갖고, 하단부가 사각형 구조로 이루어지며, 원통형 홀더의 하단부가 상단부에 삽입되어 광학 렌즈부를 고정시키는 고정부, 복수 개의 패드를 구비하고, 광학 렌즈부에서 인가되는 광학 신호를 전기 신호로 변환하기 위한 웨이퍼 상태의 촬상 소자용 칩, 및 촬상 소자용 칩이 상측에 장착되고, 하측에 복수 개의 신호 전달용 리드가 부착되어 촬상 소자용 칩의 각 패드들과 와이어 본딩된 상태에서 고정부의 하단부와 하측면이 평행하도록 삽입되는 인쇄 회로 기판을 구비하는 것을 특징으로하고, 종래의 촬상 소자용 칩을 패키지하는데 소요되는 소요 시간 및 부품을 절감하고, 조립 공정을 상당히 축소할 수 있을뿐 만 아니라, 보호용 윈도우를 제거함으로써 윈도우에 의한 광손실의 발생을 막을 수 있다는 효과가 있다.

Description

촬상용 카메라 시스템의 광학 렌즈와 일체화된 촬상 소자 및 그 조립 방법

본 발명은 촬상 소자(Image Sensor)를 이용한 촬상용 카메라 시스템에 관한 것으로서, 특히, 광학 렌즈부와 촬상 소자를 일체화시킨 촬상용 카메라 시스템의 광학 렌즈와 일체화된 촬상 소자 및 그 조립 방법에 관한 것이다.

일반적으로 폐회로 텔레비젼(Closed Circuit Television:CCTV), 디지탈 스틸 카메라 (Digital Steel Camera:DSC), 캠코더(Camcorder), PC(Personal Computer) 카메라 등과 같은 촬상용 카메라 시스템에 있어서 촬상 소자는 광학 신호를 입력하여 전기적 신호로 변환함으로써 영상 신호를 받아들이는 역할을 하며, 종래에는 광학 렌즈 구조체와, 별도의 칩으로 패키지되는 촬상 소자를 각각 조립하여 하나의 촬상 소자 구조체를 형성하였다. 여기에서, 광학 렌즈 구조체는 광학 렌즈부가 렌즈 고정부에 결합되어 하나의 고정된 구조를 갖는 형태를 나타낸다.

도 1a ~ 도 1c는 종래의 촬상용 카메라 시스템의 광학 촬상부를 설명하기 위한 도면들로서, 도 1a는 광학 렌즈부를 나타내고, 도 1b는 렌즈 고정부를 나타내고, 도 1c는 패키지된 촬상 소자를 나타내는 구조도이다.

도 1a에 도시된 광학 렌즈부는 일반적으로 1~4개의 광학 렌즈들(10)과 렌즈 홀더(12)로 이루어진다. 도 1b에 도시된 렌즈 고정부(15)는 광학 렌즈(10)를 지지하는 렌즈 홀더(12)를 고정시키는데 이용되며, 원통형 구조를 갖는 상단부와 사각형 구조를 갖는 하단부로 이루어지고, 인쇄 회로 기판(Printed Circuit Board:PCB)에 렌즈 고정부(15)를 장착하기 위한 나사 체결공(17)을 갖는다.

또한, 도 1c에 도시된 촬상 소자용 칩은 패키지된 이미지 센서 반도체로 구현되며, 광학 렌즈(10)를 통하여 인가된 광학 신호를 입력하여 전기적 신호로 변환하는 역할을 한다. 이러한 촬상 소자에는 전하 결합 소자(Charge Coupled Device:CCD) 또는 시모스 이미지 센서(CMOS image sensor)등이 있다. 여기에서, 참조번호 20은 CCD이미지 센서 또는 CMOS이미지 센서와 같은 웨이퍼 상태의 촬상 소자용 칩을 나타내고, 14는 외부와의 신호 전달을 위한 리드를 나타내고, 16은 세라믹 또는 플라스틱을 이용한 몰딩 컴파운드(Molding Compounds) 재질의 몸체를 나타내고, 18은 특수 유리 또는 플라스틱으로 제조된 보호용 윈도우를 나타낸다. 즉, 패키지된 칩(20)은 금 또는 알루미늄 재질의 와이어로 리드(14)와 본딩된 후 그 위에 윈도우(18)를 형성하고, 몸체(16)를 컴파운드로 몰딩함으로써 하나의 패키지 상태로 조립된다. 여기에서, 광학 신호 형태로 인가되는 영상 신호의 유입을 위한 보호용 윈도우(18)는 일반적으로 석영 유리 또는 플라스틱으로 이루어져 웨이퍼 상태의 칩(20)을 이물질이나 온도, 습도 및 외부 충격으로부터 보호하는 역할을 한다.

즉, 종래의 광학 촬상부에 있어서 촬상 소자용 칩은 패키지될 때 특수 유리 또는 플라스틱을 사용함으로써 원가를 상승시키는 요인이 될 뿐 아니라, 수십 퍼센트의 광손실이 생기게 되어 센서 감도를 저하시키게 된다는 문제점이 있다. 현재에는 상술한 패키지 과정에 소비되는 비용을 절감하기 위해, 웨이퍼 상태의 베어 칩(bare chip)을 패키지 조립하지 않고, 인쇄 회로 기판(Printed Circuit Board:PCB)에 직접 장착하는 방법 즉, 칩 온 보드(Chip On Board:COB)를 이용하는 방법을 사용하기도 하지만, 상술한 방법은 모든 센서에 적용가능한 방법은 아니다. 예를 들어, 광학 렌즈를 필요로 하지 않는 1차원 센서 즉, 포착된 영상의 선을 감지하는 저가의 리니어 센서(LINEAR SENSOR)에는 적용 가능한 방법이지만, 일반적인 CCTV에 적용되는 2차원 센서 즉, 영상의 면(AREA)을 감지하는 에리어 센서는 광학 렌즈를 필요로 하기 때문에 COB방식을 적용하는 것이 불가능하다는 문제점이 있다.

본 발명이 이루고자하는 기술적 과제는, 촬상 소자용 칩을 패키지 않고 직접 PCB에 장착함으로써 광학 렌즈부와 촬상 소자를 일체화시켜 하나의 구조로 형성한 촬상용 카메라 시스템의 광학 렌즈와 일체화된 촬상 소자를 제공하는데 있다.

본 발명이 이루고자하는 다른 기술적 과제는, 상기 광학 렌즈와 일체화된 촬상 소자 조립 방법을 제공하는데 있다.

도 1a~ 도 1c는 종래의 촬상용 카메라 시스템의 광학 촬상부를 설명하기 위한 도면들이다.

도 2a~ 도 2d는 본 발명에 따른 촬상용 카메라 시스템의 광학 렌즈와 일체화된 촬상 소자의 조립 과정을 설명하기 위한 도면들이다.

도 3a및 도 3b는 본 발명에 따른 광학 렌즈와 일체화된 촬상 소자를 설명하기 위한 도면들이다.

상기 과제를 이루기 위해, 본 발명에 따른 촬상용 카메라 시스템의 광학 렌즈와 일체화된 촬상 소자는, 본 발명에 따른 촬상용 카메라 시스템의 광학 렌즈와 일체화된 촬상 소자는, 하나 이상 N개의 광학 렌즈와, 렌즈들을 둘러싼 원통형 홀더로 이루어진 광학 렌즈부, 상단부가 원통형 구조를 갖고, 하단부가 사각형 구조로 이루어지며, 원통형 홀더의 하단부가 상단부에 삽입되어 광학 렌즈부를 고정시키는 고정부, 복수 개의 패드를 구비하고, 광학 렌즈부에서 인가되는 광학 신호를 전기 신호로 변환하기 위한 웨이퍼 상태의 촬상 소자용 칩, 및 촬상 소자용 칩이 상측에 장착되고, 하측에 복수 개의 신호 전달용 리드가 부착되어 촬상 소자용 칩의 각 패드들과 와이어 본딩된 상태에서 고정부의 하단부와 하측면이 평행하도록 삽입되는 인쇄 회로 기판으로 구성되는 것이 바람직하다.

상기 다른 과제를 이루기 위해, 본 발명에 따른 광학 렌즈와 일체화된 촬상 소자 조립 방법은, 소정 사이즈의 인쇄 회로 기판에 촬상 소자용 칩을 장착하는 단계, 촬상 소자용 칩이 장착되면, 외부 신호를 전달하기 위한 리드를 부착하고, 촬상 소자용 칩과 상기 리드를 와이어 본딩하는 단계, 광학 렌즈부를 삽입하기 위한 고정부의 하단부에 리드가 부착된 인쇄 회로 기판을 삽입하여 하나로 연결하는 단계, 인쇄 회로 기판과 고정부의 연결부에 보호용 접착제를 도포하는 단계, 및 고정부의 상단부와 광학 렌즈부를 결합하는 단계로 구성되는 것이 바람직하다.

이하, 본 발명에 따른 촬상용 카메라 시스템의 광학 렌즈와 일체화된 촬상 소자 및 그 조립 방법에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 다음과 같이 설명한다.

도 2a ~ 도 2d는 본 발명에 따른 광학 렌즈와 일체화된 촬상 소자의 조립 과정을 설명하기 위한 도면들이다.

도 2a는 촬상 소자용 칩을 장착하기 위한 PCB를 나타내는 도면으로서, 참조 부호 22는 PCB를 나타내고, 26은 PCB(22)상에 레이아웃된 도전선을 나타내는 것으로서, 밑면에 부착될 외부 신호 전달용 리드와 도전선(26)은 서로 전기적으로 연결된다. 또한, 도전선(26)은 PCB(22)에 장착될 칩의 각 패드와 와이어 본딩된다. 즉, 본 발명에서는 COB방식을 이용하여 패키지되지 않은 웨이퍼 상태의 칩을 PCB(22)에 직접 장착한다.

도 2b는 PCB(22)에 촬상 소자용 칩(24)을 장착한 후 별도의 외부 신호 전달용 리드(28)를 부착한 형태를 나타내는 도면으로서, 촬상 소자용 칩(24) 내부 의 패드들(25)과, 각 패드들(25)에 상응하는 PCB(22)상의 도전선(26)을 와이어 본딩한다. 상술한 바와 같이, 도전선(26)은 전기적으로 리드(28)와 연결되어 있다. 즉, PCB(22)에 촬상 소자용 칩(24)을 장착한 후 외부 신호를 전달하기 위해 별도의 리드(28)를 부착하고, 촬상 소자용 칩(24)과 리드(28)를 연결하기 위해 도전선(26)과 칩(24)의 패드들(25)을 와이어 본딩함으로써 하나의 결합된 구조를 형성한다.

도 2c는 촬상 소자용 칩(24)이 장착된 PCB(22)와, 광학 렌즈부를 고정하는 고정부(27)를 결합한 구조를 도시한 평면도이고, 2d는 도 2c에 도시된 PCB(22)와 고정부(27)의 결합 구조를 도시한 사시도이다.

도 2c와 도 2d를 참조할 때, 고정부(27)는 원통형의 광학 렌즈부를 장착하도록 상단부가 원통형 구조이고, 하단부는 사각형 구조이며 하단부에 PCB(22)의 밑면이 평행하게 삽입되어 결합된 구조를 이룬다. 따라서, PCB(22)는 고정부(27)의 하단부에 정확히 삽입되도록 적절한 사이즈로 레이아웃되어야 한다. 또한, PCB(22)와 결합되는 고정부(27)의 하단부 모서리를 포함한 PCB(22)의 밑면에는 보호용 접착제를 도포하여 습도나 이물질 및 외부 충격으로부터 안전하게 보호한다.

도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따른 광학 렌즈와 일체화된 촬상 소자를 설명하기 위한 도면들로서, 3a와 도 3b는 각각 상,하를 기준으로 도시한 사시도이다.

도 3a 및 3b는 도 2c 또는 2d에 도시된 결합 구조에 광학 렌즈부(29,30)를 결합한 구조를 나타내며, 참조 부호 29는 광학 렌즈를 나타내고, 30은 렌즈 홀더를 나타낸다.

전술한 바와 같이, 렌즈 홀더(30)에는 일반적으로 1~4개의 광학 렌즈(29)가 삽입되며, 촬상용 카메라가 흑백이 아닌 칼라를 지원하는 경우에 렌즈 고정부 (27)에는 칼라 필터들을 배열한 칼라 필터 어레이가 부가적으로 장착될 수 있다. 즉, 도 2에 도시된 조립 과정을 거쳐서 도 3에 도시된 광학 렌즈와 일체화된 촬상 소자가 형성되며, 광학 렌즈(29)가 장착된 렌즈 홀더(30)가 고정부(27)의 상단부와 결합되고, 고정부(27)의 하단부에는 PCB(22)가 삽입되어 결과적으로 PCB(22)의 리드(28)만이 고정부(27)의 하단부로 돌출된다. 따라서, 촬상용 카메라의 메인 모듈(미도시)에는 도 3에 도시된 광학 렌즈와 일체화된 촬상 소자의 리드(28)만이 인서어트(INSERT)되어 솔더(SOLDER)되므로 도 1에 도시된 고정부 (15)의 나사 연결을 위한 체결공(17)은 불필요하게 된다.

여기에서, 광학 렌즈(29)는 종래의 패키지된 촬상 소자용 칩에서 윈도우의 역할을 대신하여 온도, 습도와 같은 환경 변화 및 외부의 충격으로부터 보호할 수 있으며, 윈도우를 이루는 특수 유리 또는 플라스틱에 소비되는 부품비를 절감할 수 있게 된다. 또한, 윈도우를 제거함으로써 종래의 촬상 소자에서 발생하였던 광손실 문제를 해결할 수 있으며, 윈도우 이외에도 하나의 베어 칩을 패키지화하는데 요구되는 비용 및 시간을 절약할 수 있다는 이점이 있다. 그 밖에도 베어 칩을 패키지화하지 않고 COB방식을 이용하면, 추후에 새로운 촬상 소자용 칩이 개발되더라도 새로운 칩을 패키지화하는데에 투자되는 개발비 및 개발 시간을 절약할 수 있다.

또한, 촬상 소자용 칩(24)을 장착하기 위한 PCB제작 시에 종래의 패키지된 촬상 소자용 센서 칩의 리드 간격과 일치하도록 PCB(22)의 리드(28) 간격을 조절하면, 종래에 이용되던 촬상용 카메라의 메인 모듈을 변경하지 않고 그대로 사용할 수 있으므로 새로운 PCB설계를 위해 레이아웃을 변경할 필요가 없게 된다. 그 이외에도 광학 렌즈부와 촬상 소자를 독립적으로 조립하던 종래의 공정에 비해 공정 단계가 상당 부분 축소되므로 그에 따른 생산성을 향상시킬 수 있다.

만약, 촬상용 카메라에서 도 3에 도시된 광학 렌즈 일체형 촬상 소자와 그 이외의 메인 모듈에 적용되는 부품들을 하나의 모듈로 통합하여 구현하게 되면, 리드(28)를 모두 제거하고 최종적으로 그 모듈로부터 전원 전압 입력용, 접지용 및 영상 신호 전달용 단자 또는 와이어 만을 인출함으로써 좀더 간략한 사이즈의 구조를 갖도록 설계하는 것도 가능하다.

본 발명에 따르면, 종래의 촬상 소자용 칩을 패키지하는데 소요되는 소요 시간 및 부품을 절감하고, 조립 공정을 상당히 축소할 수 있을뿐 만 아니라, 보호용 윈도우를 제거함으로써 윈도우에 의한 광손실의 발생을 막을 수 있다. 또한, 촬상 소자용 칩에 있어서 외부 신호 전달용 리드의 간격을 종래의 패키지화된 리드 간격과 동일하게 설계하면 촬상용 카메라의 메인 모듈을 위한 PCB를 다시 레이아웃하지 않고, 현재의 PCB레이아웃을 그대로 적용할 수 있다는 효과가 있다.

Claims (5)

1. 하나 이상 N개의 광학 렌즈와, 상기 렌즈들을 둘러싼 원통형 홀더로 이루어진 광학 렌즈부;

   상단부가 원통형 구조를 갖고, 하단부가 사각형 구조로 이루어지며, 상기 원통형 홀더의 하단부가 상기 상단부에 삽입되어 상기 광학 렌즈부를 고정시키는 고정부;

   복수 개의 패드를 구비하고, 상기 광학 렌즈부에서 인가되는 광학 신호를 전기 신호로 변환하기 위한 웨이퍼 상태의 촬상 소자용 칩; 및

   상기 촬상 소자용 칩이 상측에 장착되고, 하측에 복수 개의 신호 전달용 리드가 부착되어 상기 촬상 소자용 칩의 각 패드들과 와이어 본딩된 상태에서 상기 고정부의 하단부와 상기 하측면이 평행하도록 삽입되는 인쇄 회로 기판을 포함하는 것을 특징으로하는 광학 렌즈와 일체화된 촬상 소자.
2. 제1항에 있어서, 상기 인쇄 회로 기판은, 상기 고정부에 삽입된 후 보호용 접착제를 도포하는 것을 특징으로하는 광학 렌즈와 일체화된 촬상 소자.
3. 제1항에 있어서, 상기 인쇄 회로 기판은 상기 고정부의 하단부에 정확히 삽입되어지도록 그 사이즈가 결정되는 것을 특징으로하는 광학 렌즈와 일체화된 촬상 소자.
4. 제1항에 있어서, 상기 인쇄 회로 기판은, 하측의 리드 대신에 소수의 와이어를 이용하여 외부 신호를 전달하는 것을 특징으로하는 광학 렌즈와 일체화된 촬상 소자.
5. 소정 사이즈의 인쇄 회로 기판에 촬상 소자용 칩을 장착하는 단계;

   상기 촬상 소자용 칩이 장착되면, 외부 신호를 전달하기 위한 리드를 부착하고, 상기 촬상 소자용 칩과 상기 리드를 와이어 본딩하는 단계;

   광학 렌즈부를 삽입하기 위한 고정부의 하단부에 상기 리드가 부착된 상기 인쇄 회로 기판을 삽입하여 하나로 연결하는 단계;

   상기 인쇄 회로 기판과 상기 고정부의 연결부에 보호용 접착제를 도포하는 단계; 및

   상기 고정부의 상단부와 상기 광학 렌즈부를 결합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로하는 광학 렌즈와 일체화된 촬상 소자 조립 방법.