WO2018193531A1 - 内視鏡、撮像モジュール、および撮像モジュールの製造方法 - Google Patents

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WO2018193531A1
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electrode
imaging module
relay
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disposed
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考俊 五十嵐
隆博 下畑
拓郎 巣山
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オリンパス株式会社
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    • A61B1/0684Endoscope light sources using light emitting diodes [LED]

Definitions

  • the present invention relates to an endoscope having an imaging module including a plurality of joints, an imaging module including a plurality of joints, and a method of manufacturing an imaging module including a plurality of joints.
  • the imaging signal output from the imaging device disposed at the distal end of the endoscope is primarily processed by electronic components mounted on a wiring board adjacent to the imaging device.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-334509 discloses an imaging signal primarily processed by an electronic component mounted on a wiring board to which an image sensor lead is solder-bonded, and a signal cable bonded to the wiring board.
  • An endoscope for transmitting through the network is disclosed.
  • a heat resistant sealing resin is used.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. 2013-30593 discloses that a plurality of semiconductor elements are stacked through a through wiring in order to accommodate a plurality of semiconductor elements in a small space and to reduce the parasitic capacitance due to the wiring.
  • a bonded laminated element is disclosed.
  • the imaging module Compared to an imaging module in which electronic components are mounted on a wiring board, it can be expected that the imaging module will be significantly reduced in size and functionality by using a laminated element.
  • the embodiment of the present invention is a highly invasive and highly reliable endoscope, a small and highly reliable high-performance imaging module, and a small and highly reliable highly functional imaging module.
  • An object of the present invention is to provide a simple manufacturing method.
  • the endoscope according to the embodiment includes an imaging module, and the imaging module is a rectangular parallelepiped having a light receiving surface, a rear surface facing the light receiving surface, and four side surfaces, and a plurality of elements including an image sensor are stacked. Are electrically connected via an element junction, and are electrically connected to the rear electrode of the multilayer element via a relay junction.
  • An imaging module comprising: a signal cable electrically connected via an electrode and a cable joint, wherein the laminated element includes a first region and a second region obtained by dividing the rear surface into two parts 1st of which said 1st field extended in the direction of an optical axis Wherein the plurality of elements joint only in between is disposed, the rear electrode is disposed only in the second region.
  • An imaging module is a rectangular parallelepiped having a light receiving surface, a rear surface facing the light receiving surface, and four side surfaces, in which a plurality of elements including an image sensor are stacked, and electrically via a plurality of element joints.
  • a laminated element having a rear electrode disposed on the rear surface, a first electrode electrically connected to the rear electrode of the laminated element via a relay junction, and the first element A first electrode and a second electrode that is electrically connected via a wiring pattern; a relay portion in which the first electrode is disposed; and a second electrode and a cable joint portion that are electrically connected to each other.
  • An imaging module comprising: a signal cable connected to the optical element, wherein the laminated element has an optical axis as the first region of the first region and the second region obtained by dividing the rear surface into two parts. The plurality of element junctions only in the first space extending in the direction Is disposed, the rear electrode is disposed only in the second region.
  • the manufacturing method of the imaging module includes a first junction at a first temperature in which a plurality of elements including an imaging element are stacked and electrically connected via an element junction to produce a stacked element. Electrically connecting a signal cable to the second electrode of the relay portion in which the step and the second electrode connected to the first electrode and the first electrode via a wiring pattern are disposed And a third temperature lower than a second temperature of the second bonding step for electrically connecting the first electrode of the relay portion to the rear electrode of the multilayer element. A third joining step.
  • a highly functional endoscope having a low invasiveness and high reliability, a small and highly reliable imaging module, and a small and highly reliable imaging module having high reliability can be provided.
  • the imaging module 1 of the present embodiment includes a laminated element 10, a wiring board 30 that is a relay unit, and a signal cable 40.
  • the laminated element 10 is a rectangular parallelepiped having a light receiving surface 10SA, a rear surface 10SB facing the light receiving surface 10SA, and four side surfaces 10SS1 to 10SS4 (10SS).
  • the cover glass 12 is bonded to the forefront of the laminated element 10 in which the image pickup element 11 and the plurality of semiconductor elements 21 to 24 are laminated.
  • the cover glass 12 is not an essential component of the imaging module 1.
  • a rectangular parallelepiped wafer level optical unit composed of a plurality of optical elements including the cover glass 12 may be disposed on the imaging element 11.
  • the image pickup device 11 has a light receiving portion 11A composed of a CCD or CMOS image pickup portion, and the light receiving portion 11A is connected to a through wiring (TSV: Through-Silicon Via) 11H.
  • the imaging element 11 may be either a front-side illumination (FSI: Front Side Illumination) image sensor or a back-side illumination (BSI: Back Side Illumination) image sensor.
  • the imaging element 11 and the plurality of semiconductor elements 21 to 24 are stacked via sealing resins 25 to 28 to constitute the stacked element 10.
  • the semiconductor elements 21 to 24 perform primary processing on the imaging signal output from the imaging element 11 and process control signals for controlling the imaging element 11.
  • the semiconductor elements 21 to 24 include an AD conversion circuit, a memory, a transmission output circuit, a filter circuit, a thin film capacitor, a thin film inductor, and the like.
  • the number of elements included in the laminated element 10 is, for example, 3 or more and 10 or less including the imaging element 11.
  • the imaging element 11 and the plurality of semiconductor elements 21 to 24 have through wirings 11H and 21H to 24H, respectively, and are electrically connected via the plurality of element junctions B1.
  • the element joint B1 is a solder joint made of the first solder having a melting point MP1.
  • the first solder is a solder bump film by electroplating or a solder paste film by printing or the like.
  • a plurality of rear electrodes 20P are disposed on the rear surface 10SB of the stacked element 10 (the rear surface of the semiconductor element 24 stacked at the rearmost portion). As shown in FIG. 3, the rear electrode 20P and the through wiring 24H (element junction B1) of the semiconductor element 24 are connected through an element wiring pattern 21L disposed on the rear surface 10SB.
  • the rear electrode 20P is a convex electrode made of a barrier Ni layer and an Au layer disposed on the element wiring pattern 21L made of Cu.
  • An insulating layer 29 as a cover layer is disposed on the rear surface 10SB.
  • the element wiring pattern 21L exposed on the bottom surface of the opening O20P1 of the insulating layer 29 may be the rear electrode 20P.
  • the rear electrode 20P is electrically connected to the first electrode 30P1 of the wiring board 30 serving as a relay portion via a relay joint portion B3.
  • An alignment mark for alignment with the wiring board 30 may be formed on the rear surface 10SB of the multilayer element 10.
  • the relay joint B3 is an ultrasonic joint. That is, the relay junction B3 is an interface between the rear electrode 20P and the first electrode 30P1.
  • the relay bonding portion B3 may be a thermosonic bonding portion that applies heat together with ultrasonic application.
  • the laminated element 10 includes a first space S1 in which the first region 10SB1 of the first region 10SB1 and the second region 10SB2 obtained by dividing the rear surface 10SB in two is extended in the optical axis direction.
  • a plurality of element junctions B1 are disposed only inside, and a plurality of rear electrodes 20P are disposed only in the second region 10SB2.
  • the plurality of element junctions B1 are arranged only below the elements 11 and 21 to 24, whereas the plurality of rear electrodes 20P are arranged on the side opposite to the arrangement position of the element junctions B1. It is lined up only above.
  • the element junction B1 and the rear electrode 20P are arranged at positions separated from each other.
  • the wiring board 30 has a first electrode 30P1 disposed on the front side, and a second electrode 30P2 connected to the first electrode 30P1 via a relay wiring pattern 31 on the rear side. Note that an electronic component such as a chip capacitor may be mounted on the wiring board 30. Since the wiring board 30 is a single-sided wiring board, it is inexpensive, but a double-sided wiring board or a multilayer wiring board may be used.
  • the wiring board 30 is a flexible wiring board having polyimide or the like as a base, and the front is arranged in parallel with the rear surface 10SB of the laminated element 10, but the rear is inclined with respect to the rear surface 10SB via the bent portion. Yes.
  • the second electrode 30P2 of the wiring board 30 is electrically connected to the signal cable 40 via the cable joint B2.
  • the cable joint portion B2 is a solder joint portion made of the second solder.
  • the signal cable 40 is a shielded cable including a core wire 41 and a shield wire 42.
  • the plurality of core wires 41 are joined to the respective second electrodes 30P2, and the plurality of shield wires 42 are joined to, for example, the third electrode 30P3 that is one common ground potential electrode.
  • the signal cable 40 is not directly soldered to the laminated element 10. That is, the signal cable 40 is soldered to the wiring board 30 that is a relay unit, and the wiring board 30 is joined to the laminated element 10. Even in the laminated element 10 having the narrow rear surface 10SB, the limitation due to the number and outer diameter of the signal cables 40 and the difficulty of connection are alleviated.
  • the rear electrode 20P of the relay junction B3 is disposed at a position away from the element junction B1. For this reason, the load, vibration, and heat applied when the first electrode 30P1 is ultrasonically bonded to the rear electrode 20P are not directly transmitted to the element bonding portion B1. For this reason, the imaging module 1 does not have a possibility of damaging the laminated element 10 during ultrasonic bonding, and has high reliability.
  • the insulating layer 29 has an opening O20P2 on a part of the element wiring pattern 21L.
  • the opening O20P2 is an inspection terminal 20P2 in which the element wiring pattern 21L is exposed on the bottom surface.
  • the laminated element 10 is produced by cutting a laminated wafer as will be described later.
  • the inspection terminal 20P2 is used to grasp the characteristics of the multilayer element 10 in the state of the multilayer wafer.
  • the surface of the prober contacted may be damaged.
  • the scratches have an adverse effect during bonding, and the reliability of the imaging module may be reduced. Since the imaging module 1 having the inspection terminal 20P2 in the same connection state as the rear electrode 20P does not damage the rear electrode 20P even if it is inspected, the reliability does not decrease.
  • the plurality of relay junctions B ⁇ b> 3 i.e., the arrangement interval (W ⁇ b> 20 ⁇ / b> P) of the rear electrode 20 ⁇ / b> P is the same. ) Wider than.
  • the imaging module 1 can easily join the relay joint portion B3 between the multilayer element 10 and the wiring board 30. Since the element junction B1 can define the arrangement interval (inter-electrode pitch) with the accuracy of photolithography in the semiconductor manufacturing process, it is easy to narrow the pitch, and the inter-element pitch is reduced to secure a wide circuit area in the element. can do. On the other hand, since the wiring board 30 which is a relay part is formed in the manufacturing process of a printed circuit board, for example, the accuracy of the inter-electrode pitch of the relay joint part B3 is inferior to that of the element joint part B1.
  • the relay joint portion B3 is disposed with the same inter-electrode pitch as the inter-electrode pitch of the element joint portion B1, strict position adjustment accuracy is required and the joining difficulty is high.
  • the pitch between the electrodes of the relay joint portion B3 the requirement for the position adjustment accuracy of the wiring board 30 can be relaxed and the joining can be facilitated.
  • the first electrode 30P1 is ultrasonically bonded even if the element bonding portion B1 is not a solder bonding portion, for example, a hybrid bonding bonding portion that directly bonds an insulating film and a conductive film formed on the same surface. Since the load and vibration applied when doing so are not directly transmitted to the element bonding portion B1, the laminated element 10 is not likely to be damaged.
  • the relay part is not limited to the flexible wiring board 30, and may be a MID three-dimensional wiring board, a Si interposer, a TAB tape with flying leads, a ceramic wiring board, a glass wiring board, or a combination thereof. Good.
  • the imaging module 1 has a dimension (outside dimension) orthogonal to the optical axis O of the imaging element 11 that is 1 mm square or less, for example, 600 ⁇ m ⁇ 600 ⁇ m.
  • the external dimensions of the wiring board 30 and the laminated element 10 are designed to be equal to or smaller than the external dimensions of the image sensor 11. That is, the wiring board 30 is accommodated in the second space S2 obtained by extending the image sensor 11 in the optical axis direction.
  • the imaging module 1 is an ultra-small imaging module specialized for endoscopes.
  • a plurality of light receiving portions 11A and the like are disposed on a silicon wafer or the like using a known semiconductor manufacturing technique.
  • Peripheral circuits that primarily process the output signal of the light receiving unit 11A or process the drive control signal may be formed on the imaging element wafer. It is preferable that a cover glass wafer for protecting the light receiving portion 11A is bonded to the imaging element wafer before the through wiring 11H is formed from the rear surface.
  • the imaging element wafer to which the cover glass wafer is bonded via the adhesive layer 13 and a plurality of semiconductor element wafers each including the semiconductor elements 21 to 24 are stacked, and the first solder of the element bonding portion B1 is laminated.
  • a heat treatment is performed at a first temperature T1 equal to or higher than the melting point MP1, and a laminated wafer in which the semiconductor elements 21 to 24 are electrically connected is manufactured.
  • the melting point MP1 and the first temperature T1 are, for example, 200 ° C. to 250 ° C., which is lower than the heat resistance temperature of the semiconductor elements 21 to 24.
  • the sealing resins 25 to 28 may be injected from the side surface of the laminated wafer after bonding, or may be arranged at the time of lamination.
  • the laminated wafer is cut so that the four sides of the substantially rectangular light receiving portion 11A of the image sensor 11 are parallel to the four sides of the rectangular cross section perpendicular to the optical axis O of the laminated element, and the rectangular laminated element. 10 pieces.
  • the four side surfaces 10SS of the multilayer element 10 are cut surfaces. Note that corners parallel to the optical axis O may be chamfered after the multilayer element 10 is cut, and the cross section in the direction perpendicular to the optical axis may be a hexagon, or the corners may be curved.
  • the multilayer element 10 is a perfect cuboid, but the “cuboid” in the present invention includes a substantially cuboid whose corners are chamfered or curved.
  • the second temperature T2 in the second bonding step is higher than the melting point MP2 of the second solder.
  • the second temperature T2 is 150 ° C. to 200 ° C.
  • the first bonding step may be performed after the element wafer is cut into elements.
  • Step S14 Laminated element bonding step (third bonding step)
  • the first electrode 30P1 of the wiring board 30 serving as a relay portion is electrically connected to the rear electrode 20P of the multilayer element 10.
  • the process temperature (third temperature T3) is, for example, less than 150 ° C., Lower than the temperature T1 and the second temperature T2.
  • the processing temperature of the joining process performed later is lower than the processing temperature of the joining process performed before that. That is, the third temperature T3 is lower than the second temperature T2, and the second temperature T2 is lower than the first temperature T1.
  • connection work in step S13 (cable joining step) is performed on the wiring board 30 with good handling properties to which the laminated element 10 is not joined. Further, the element joint B1 is not particularly affected during cable joining, which is particularly preferable.
  • step S14 laminated element joining step
  • step S13 complementary joining step
  • a second solder having a melting point MP2 lower than the melting point MP1 of the first solder is used for the cable joint B2. That is, when the signal cable 40 is joined to the wiring board 30 to which the laminated element 10 is joined (with the relay joining portion B3), the melting point MP2 of the second solder of the cable joining portion B2 is equal to that of the element joining portion B1. It is lower than the melting point MP1 of the first solder. For this reason, the temperature of the process of joining the signal cable 40 can be set lower than the melting point MP1. For this reason, the reliability of the element joint B1 is not lowered.
  • the melting point MP2 is preferably lower than the melting point MP1 by 10 ° C. or more, particularly preferably 20 ° C. or more.
  • a relay joint portion B3 of the imaging module 1A of Modification 1 shown in FIG. 5 is a solder joint portion using a third solder.
  • the melting point MP3 of the third solder is lower than the melting point MP1 of the first solder and the melting point MP2 of the second solder. Further, in the multilayer element 10, the rear electrode 20P of the relay junction B3 is disposed at a position away from the element junction B1. For this reason, the heat applied when soldering the first electrode 30P1 to the rear electrode 20P is not directly transmitted to the element bonding portion B1. For this reason, the imaging module 1 does not have a possibility of damaging the laminated element 10 at the time of solder joining, and has high reliability.
  • the third temperature T3 in the third joining step by the relay joint B3 can be set lower than the melting point MP1 and the melting point MP2. For this reason, the reliability of element joint part B1 and cable joint part B2 does not fall.
  • the relay joint B3 is a solder joint as in the imaging module 1A.
  • the wiring board 30B of the imaging module 1B has a heat transfer terminal 36 for laser irradiation on the back surface 30SB.
  • the heat transfer terminal 36 is connected to the first electrode 30P1 on the wiring board 30B through the through conductor 35.
  • the heat transfer terminal 36 and the through conductor 35 are made of, for example, copper or aluminum having high thermal conductivity.
  • the surface of the heat transfer terminal 36 may be subjected to a reflectance reduction process (roughening process, coloring process, etc.) in order to increase the laser absorption efficiency.
  • the relay junction B3 is extremely small, for example, 20 ⁇ m to 50 ⁇ m. Further, the arrangement interval of the plurality of relay junctions B3 is extremely narrow, 50 ⁇ m to 200 ⁇ m.
  • the third solder of the relay joint B3 is melted and joined by laser heating.
  • laser heating only a very small region can be locally heated. For this reason, it does not adversely affect another surrounding relay junction B3.
  • the imaging module 1C of this modification is similar to the imaging module 1B and has the same effects.
  • the wiring board 30 ⁇ / b> C of the imaging module 1 ⁇ / b> C has the heat transfer terminal 36 disposed outside (upper side) than the rear electrode 20 ⁇ / b> P of the multilayer element 10. That is, the upper side of the wiring board 30C protrudes from the wiring board 30B.
  • the region where the heat transfer terminal 36 is disposed is an unnecessary region after the junction junction B3 is joined. For this reason, as shown in FIG. 9, the wiring board 30 ⁇ / b> C is separated and becomes smaller after the relay connection portion B ⁇ b> 3 is joined and the upper portion where the heat transfer terminal 36 is disposed. For this reason, the outer dimension of the imaging module 1 does not increase because the heat transfer terminal 36 is provided.
  • the wiring board 30C is easily irradiated with laser because the heat transfer terminal 36 is on the upper side. In addition, since the wiring board 30C does not have the heat transfer terminal 36 in the area facing the first electrode 30P1, the degree of freedom in design is high. For example, an electronic component or the like can be mounted in the area facing the first electrode 30P1.
  • the endoscope system 8 including the endoscope 9 includes an endoscope 9, a processor 80, a light source device 81, and a monitor 82.
  • the endoscope 9 includes an insertion unit 90, an operation unit 91, and a universal cord 92.
  • the insertion unit 90 is inserted into the body cavity of the subject, and an in-vivo image of the subject is captured and an image signal is output.
  • the insertion portion 90 includes a distal end portion 90A on which the imaging module 1 or 1A to 1C (hereinafter referred to as the imaging module 1 or the like) is disposed, and a bendable bending portion 90B continuously provided on the proximal end side of the distal end portion 90A. And a flexible portion 90C provided continuously to the proximal end side of the bending portion 90B.
  • the bending portion 90B is bent by the operation of the operation portion 91.
  • the endoscope 9 may be a rigid endoscope or a capsule endoscope.
  • An operation unit 91 provided with various buttons for operating the endoscope 9 is disposed on the proximal end side of the insertion unit 90 of the endoscope 9.
  • the light source device 81 has, for example, a white LED. Illumination light emitted from the light source device 81 is guided to the distal end portion 90A via a universal cord 92 and a light guide (not shown) that passes through the insertion portion 90, and illuminates the subject.
  • the endoscope 9 includes an insertion unit 90, an operation unit 91, and a universal cord 92.
  • the imaging signal output from the imaging module 1 and the like disposed at the distal end portion 90 ⁇ / b> A of the insertion unit 90 is inserted through the insertion unit 90. Is transmitted by the signal cable 40.
  • the endoscope 9 Since the imaging module 1 and the like are ultra-compact, the endoscope 9 has a distal end portion 90A of the insertion portion 90 with a small diameter and is minimally invasive. In addition, since the imaging module 1 and the like primarily perform an imaging signal output from the imaging element by the laminated element 10 disposed in the immediate vicinity of the imaging element, the endoscope 9 displays a high-quality image. Furthermore, in the imaging module 1 and the like, the solder is not remelted at the time of manufacture, so the endoscope 9 has high reliability.

Abstract

撮像モジュール1は、複数の素子11、21~24が積層され素子接合部B1を介して電気的に接続されており後面10SBに後面電極20Pが配設されている積層素子10と、後面電極20Pに中継接合部B3を介して電気的に接続されている第1の電極30P1と第1の電極30P1と中継配線パターン31を介して電気的に接続されている第2の電極30P2とが配設されている配線板30と、第2の電極30P2とケーブル接合部B2を介して電気的に接続されている信号ケーブル40と、を具備し、積層素子10は、後面30SBを二分割した第1の領域30SB1と第2の領域30SB2とのうちの第1の領域30SB1を光軸方向に延長した第1の空間S1内だけに素子接合部B1が配設されており、第2の領域10SBだけに後面電極20Pが配設されている。

Description

内視鏡、撮像モジュール、および撮像モジュールの製造方法
 本発明は、複数の接合部を含む撮像モジュールを有する内視鏡、複数の接合部を含む撮像モジュール、および複数の接合部を含む撮像モジュールの製造方法に関する。
 内視鏡の先端部に配設される撮像素子が出力する撮像信号は、撮像素子に隣接した配線板に実装されている電子部品により1次処理される。
 例えば、日本国特開2005-334509号公報には、撮像素子のリードが半田接合された配線板に実装された電子部品で1次処理された撮像信号を、配線板に接合された信号ケーブルを介して伝送する内視鏡が開示されている。信号ケーブルを配線板に半田接合するときの熱によって、撮像素子のリードの半田付けが溶解し外れて接続不良になることを防止するために、耐熱性封止樹脂を用いている。
 一方、日本国特開2013-30593号公報には、複数の半導体素子を小さい空間に収容するため、かつ、配線による寄生容量を小さくするために、貫通配線を介して複数の半導体素子を積層し接合した積層素子が開示されている。
 配線板に電子部品を実装した撮像モジュールに比べて、積層素子を用いることで、撮像モジュールの大幅な小型化および高機能化が実現することが期待できる。
 しかし、信号ケーブル接合の熱の影響等により、積層素子の接合部に接続不良が発生し、信頼性が低下したり、製造が容易ではなくなったりするおそれがあった。特に低侵襲のため超小型化されている内視鏡用の撮像モジュールでは、撮像素子を含む積層素子と信号ケーブルとが近接して配置されているため、信号ケーブル接合時の熱の影響が顕著となるおそれがあった。また、積層素子に配線板を接合するときに、比較的低温の接合処理である超音波接合を用いても、接合時の荷重および振動等により、積層素子の接合部に接続不良が発生するおそれもあった。
特開2005-334509号公報 特開2013-30593号公報
 本発明の実施形態は、低侵襲で信頼性の高い高機能の内視鏡、さらに、小型で信頼性の高い高機能の撮像モジュール、および、小型で信頼性の高い高機能の撮像モジュールの容易な製造方法を提供することを目的とする。
 実施形態の内視鏡は、撮像モジュールを有し、前記撮像モジュールが、受光面と前記受光面と対向する後面と4側面とがある直方体で、撮像素子を含む複数の素子が積層され、複数の素子接合部を介して電気的に接続されており、前記後面に後面電極が配設されている積層素子と、前記積層素子の前記後面電極に、中継接合部を介して電気的に接続されている第1の電極と、前記第1の電極と配線パターンを介して電気的に接続されている第2の電極と、が配設されている中継部と、前記中継部の前記第2の電極とケーブル接合部を介して電気的に接続されている信号ケーブルと、を具備する撮像モジュールであって、前記積層素子は、前記後面を二分割した第1の領域と第2の領域とのうちの前記第1の領域を光軸方向に延長した第1の空間内だけに前記複数の素子接合部が配設されており、前記第2の領域だけに前記後面電極が配設されている。
 別の実施形態の撮像モジュールは、受光面と前記受光面と対向する後面と4側面とがある直方体で、撮像素子を含む複数の素子が積層され、複数の素子接合部を介して電気的に接続されており、前記後面に後面電極が配設されている積層素子と、前記積層素子の前記後面電極に、中継接合部を介して電気的に接続されている第1の電極と、前記第1の電極と配線パターンを介して電気的に接続されている第2の電極と、が配設されている中継部と、前記中継部の前記第2の電極とケーブル接合部を介して電気的に接続されている信号ケーブルと、を具備する撮像モジュールであって、前記積層素子は、前記後面を二分割した第1の領域と第2の領域とのうちの前記第1の領域を光軸方向に延長した第1の空間内だけに前記複数の素子接合部が配設されており、前記第2の領域だけに前記後面電極が配設されている。
 さらに、別の実施形態の撮像モジュールの製造方法は、撮像素子を含む複数の素子を積層し、素子接合部を介して電気的に接続し積層素子を作製する第1の温度の第1の接合工程と、第1の電極と前記第1の電極と配線パターンを介して接続されている第2の電極とが配設されている中継部の前記第2の電極に信号ケーブルを電気的に接続する第2の接合工程と、前記積層素子の後面電極に、前記中継部の前記第1の電極を電気的に接続する、前記第2の接合工程の第2の温度よりも低い第3の温度の第3の接合工程と、を具備する。
 本発明の実施形態によれば、低侵襲で信頼性の高い高機能の内視鏡、さらに、小型で信頼性の高い高機能の撮像モジュール、および、小型で信頼性の高い高機能の撮像モジュールの容易な製造方法を提供できる。
第1実施形態の撮像モジュールの分解図である。 第1実施形態の撮像モジュールの断面図である。 第1実施形態の撮像モジュールの積層素子の背面図である。 第1実施形態の撮像モジュールの製造方法のフローチャートである。 第1実施形態の変形例1の撮像モジュールの断面図である。 第1実施形態の変形例2の撮像モジュールの断面図である。 第1実施形態の変形例2の撮像モジュールの配線板の背面図である。 第1実施形態の変形例3の撮像モジュールの製造方法を説明するための断面図である。 第1実施形態の変形例3の撮像モジュールの製造方法を説明するための断面図である。 第2実施形態の内視鏡の斜視図である。
<第1実施形態>
 図1および図2に示すように、本実施形態の撮像モジュール1は、積層素子10と中継部である配線板30と信号ケーブル40とを具備する。
 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、各部分の厚さと幅との関係、夫々の部分の厚さの比率および相対角度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。また、一部の構成要素の図示および符号の付与を省略する場合がある。
 積層素子10は、受光面10SAと受光面10SAと対向する後面10SBと4側面10SS1~10SS4(10SS)とがある直方体である。
 撮像素子11および複数の半導体素子21~24が積層されている積層素子10は最前面に接着層13を介してカバーガラス12が接着されている。なお、カバーガラス12は撮像モジュール1の必須構成要素ではない。逆に、撮像素子11にカバーガラス12を含む複数の光学素子からなる直方体のウエハレベル光学ユニットが配設されていてもよい。
 撮像素子11は、CCDまたはCMOS撮像部からなる受光部11Aを有し、受光部11Aは、貫通配線(TSV:Through-Silicon Via)11Hと接続されている。撮像素子11は、表面照射(FSI:Front Side Illumination)型イメージセンサまたは裏面照射(BSI:Back Side Illumination)型イメージセンサのいずれでもよい。
 撮像素子11および複数の半導体素子21~24は、封止樹脂25~28を介して積層されて積層素子10を構成している。
 半導体素子21~24は、撮像素子11が出力する撮像信号を1次処理したり、撮像素子11を制御する制御信号を処理したりする。例えば、半導体素子21~24は、AD変換回路、メモリ、伝送出力回路、フィルター回路、薄膜コンデンサ、および、薄膜インダクタ等を含んでいる。積層素子10が含む素子の数は、撮像素子11を含めて、例えば、3以上10以下である。
 撮像素子11および複数の半導体素子21~24は、それぞれが貫通配線11H、21H~24Hを有し、複数の素子接合部B1を介して電気的に接続されている。
 撮像モジュール1では、素子接合部B1は、融点がMP1の第1の半田からなる半田接合部である。第1の半田は、電気めっき法による半田バンプまたは、印刷等による半田ペースト膜である。
 積層素子10の後面10SB(最後部に積層されている半導体素子24の後面)、には複数の後面電極20Pが配設されている。図3に示すように、後面電極20Pと半導体素子24の貫通配線24H(素子接合部B1)とは、後面10SBに配設された素子配線パターン21Lを介して接続されている。後面電極20Pは、Cuからなる素子配線パターン21Lの上に配設されたバリアNi層およびAu層からなる凸状電極である。
 後面10SBには、カバー層である絶縁層29が配設されている。絶縁層29の開口O20P1の底面に露出している素子配線パターン21Lが後面電極20Pであってもよい。
 後面電極20Pは、中継部である配線板30の第1の電極30P1と中継接合部B3を介して電気的に接続されている。積層素子10の後面10SBに、配線板30との位置合わせのためのアライメントマークが形成されていてもよい。
 後述するように、中継接合部B3は超音波接合部である。すなわち、中継接合部B3は、後面電極20Pおよび第1の電極30P1との界面である。中継接合部B3は、超音波印加とともに熱を印加する熱超音波接合部であってもよい。
 撮像モジュール1では、積層素子10は、後面10SBを二分割した第1の領域10SB1と第2の領域10SB2とのうちの、第1の領域10SB1を光軸方向に延長した第1の空間S1の内部だけに、複数の素子接合部B1が配設されており、第2の領域10SB2だけに複数の後面電極20Pが配設されている。
 すなわち、複数の素子接合部B1は、素子11、21~24の下方だけに列設されているのに対して、複数の後面電極20Pは、素子接合部B1の配設位置とは逆側の上方だけに列設されている。素子接合部B1と後面電極20Pとは、離れた位置に配設されている。
 配線板30は、前方に第1の電極30P1が配設されており、後方に中継配線パターン31を介して第1の電極30P1と接続されている第2の電極30P2が配設されている。なお、配線板30にはチップコンデンサ等の電子部品が実装されていてもよい。配線板30は片面配線板であるため低価格であるが、両面配線板、または、多層配線板を用いてもよい。
 配線板30はポリイミド等を基体とするフレキシブル配線板であり、前方は積層素子10の後面10SBと平行に配置されているが、屈曲部を介して、後方は、後面10SBに対して傾斜している。
 配線板30の第2の電極30P2は、ケーブル接合部B2を介して信号ケーブル40と電気的に接続されている。ケーブル接合部B2は、第2の半田からなる半田接合部である。
 信号ケーブル40は、芯線41とシールド線42とを含むシールドケーブルである。複数の芯線41が、それぞれの第2の電極30P2と接合され、複数のシールド線42は、例えば、1つの共通接地電位電極である第3の電極30P3と接合されている。
 撮像モジュール1は、信号ケーブル40が、直接、積層素子10と半田接合されていない。すなわち、信号ケーブル40は中継部である配線板30に半田接合され、配線板30が積層素子10に接合されている。後面10SBの狭い積層素子10であっても、信号ケーブル40の本数および外径による制限、および、接続困難性が緩和されている。
 さらに、積層素子10は、中継接合部B3の後面電極20Pが、素子接合部B1から離れた位置に配設されている。このため、後面電極20Pに第1の電極30P1を超音波接合するときに印加される荷重、振動および熱が、素子接合部B1に直接伝わることがない。このため、撮像モジュール1は、超音波接合時に積層素子10が破損するおそれがなく、信頼性が高い。
 なお、絶縁層29には、素子配線パターン21Lの一部の上に開口O20P2がある。開口O20P2は底面に素子配線パターン21Lが底面に露出している検査用端子20P2である。積層素子10は後述するように積層ウエハの切断により作製される。積層ウエハの状態で積層素子10の特性を把握するために、検査用端子20P2は用いられる。
 プローバーを用いた検査では、プローバーの針が接触した表面に傷がつくことがある。すると、傷が接合時に悪影響を及ぼし、撮像モジュールの信頼性が低下するおそれがある。後面電極20Pと同じ接続状態にある検査用端子20P2を有する撮像モジュール1は、検査を行っても後面電極20Pに傷がつくことがないので、信頼性が低下することがない。
 また図3に示すように、積層素子10では、複数の中継接合部B3、すなわち、後面電極20Pの配置間隔(W20P)が、複数の素子接合部B1、すなわち、貫通配線24Hの配置間隔(W24H)よりも広い。
 このため、撮像モジュール1は、積層素子10と配線板30との中継接合部B3の接合が容易である。素子接合部B1は半導体製造工程のフォトリソグラフィの精度で配置間隔(電極間ピッチ)を規定できるため、狭ピッチ化が容易であり、電極間ピッチを小さくすることで素子内の回路領域を広く確保することができる。一方、中継部である配線板30は、例えば、プリント回路板の製造工程で形成されるため、中継接合部B3の電極間ピッチの精度は素子接合部B1のそれより劣る。従って、素子接合部B1の電極間ピッチと同じ電極間ピッチで中継接合部B3を配設すると、厳しい位置調整精度を要し接合難易度が高い。中継接合部B3の電極間ピッチを広くすることで、配線板30の位置調整精度への要求を緩和し、接合を容易にする行うことができる。
 なお、素子接合部B1が半田接合部ではない、例えば、同一面に形成された絶縁膜と導電膜同士を直接接合するハイブリッドボンディング接合部等であっても、第1の電極30P1を超音波接合するときに印加される荷重および振動が、素子接合部B1に直接伝わることがないため、積層素子10が破損するおそれがない。
 なお、中継部は、フレキシブル配線板30に限られるものではなく、MID立体配線板、Siインターポーザ、フライングリード付きTABテープ、セラミック配線板、もしくは、ガラス配線板、または、それらの組み合わせであってもよい。
 撮像モジュール1は、撮像素子11の光軸Oに直交する寸法(外寸)が1mm角以下の例えば、600μm×600μmである。そして、配線板30および積層素子10の外寸は撮像素子11の外寸以下に設計されている。すなわち、撮像素子11を光軸方向に延長した第2の空間S2の内部に配線板30は収容されている。撮像モジュール1は、内視鏡用に特化した超小型の撮像モジュールである。
<撮像モジュールの製造方法>
 図4のフローチャートに沿って、撮像モジュールの製造方法について簡単に説明する。
<ステップS11>素子ウエハ接合工程(第1の接合工程)
 撮像素子11を含む撮像素子ウエハおよびそれぞれが半導体素子21~24を含む複数の半導体素子ウエハが作製される。
 例えば、撮像素子ウエハは、シリコンウエハ等に公知の半導体製造技術を用いて、複数の受光部11A等が配設される。撮像素子ウエハには、受光部11Aの出力信号を1次処理したり、駆動制御信号を処理したりする周辺回路が形成されていてもよい。撮像素子ウエハには、後面から貫通配線11Hを形成する前に、受光部11Aを保護するカバーガラスウエハが接着されることが好ましい。
 そして、カバーガラスウエハが接着層13を介して接着されている撮像素子ウエハ、および、それぞれが半導体素子21~24を含む複数の半導体素子ウエハが積層され、素子接合部B1の第1の半田の融点MP1以上の第1の温度T1で加熱処理され、半導体素子21~24が電気的に接続された積層ウエハが作製される。融点MP1および第1の温度T1は、半導体素子21~24の耐熱温度未満の例えば200℃~250℃である。
 封止樹脂25~28は接合後に、積層ウエハの側面から注入されてもよいし、積層時に配設されていてもよい。
<ステップS12>素子ウエハ切断工程(切断工程)
 積層ウエハは、撮像素子11の略矩形の受光部11Aの4つの辺が、積層素子の光軸Oに直交する矩形の断面の4つの辺とそれぞれ平行になるように切断され、直方体の積層素子10に個片化される。このため、積層素子10の4側面10SSは切断面である。なお、積層素子10に切断後に光軸Oに平行な角部を面取りし、光軸直交方向の断面を六角形としたり、角部を曲面化したりしてもよい。
 すなわち、積層素子10は完全な直方体であるが、本発明における「直方体」には、角部が面取りされていたり、曲面化されていたりする略直方体も含まれる。
<ステップS13>ケーブル接合工程(第2の接合工程)
 第1の電極30P1と第1の電極30P1と中継配線パターン31を介して接続されている第2の電極30P2とが配設されている中継部である配線板30および信号ケーブル40が作製される。
 そして、配線板30の第2の電極30P2に信号ケーブル40の芯線41が、第2の半田からなるケーブル接合部B2により電気的に接続される。本第2の接合工程の第2の温度T2は、第2の半田の融点MP2よりも高温である。例えば融点MP2が140℃~190℃の場合、第2の温度T2は、150℃~200℃である。
 なお、素子ウエハを素子に切断後に、第1の接合工程が行われてもよい。
<ステップS14>積層素子接合工程(第3の接合工程)
 積層素子10の後面電極20Pに、中継部である配線板30の第1の電極30P1が電気的に接続される。すでに説明したように、本接合工程(第2の接合工程)は、比較的低温の超音波接合工程であるため、工程温度(第3の温度T3)は、例えば150℃未満であり、第1の温度T1および第2の温度T2よりも低い。
 すなわち、複数の接合部を有する撮像モジュールでは、後に行われる接合処理の処理温度は、それよりも前に行われる接合処理の処理温度よりも低温で行われる。すなわち、第3の温度T3は第2の温度T2よりも低く、さらに、第2の温度T2は第1の温度T1よりも低い。
 このため、第3の接合工程において、素子接合部B1およびケーブル接合部B2が接触不良になるおそれはない。
 上記順序の製造方法では、ステップS13(ケーブル接合工程)における接続作業は、積層素子10が接合されていないハンドリング性のよい配線板30に対して行われる。また、ケーブル接合時に素子接合部B1が影響を受けることがないため、特に好ましい。
 しかし、ステップS14(積層素子接合工程)が、ステップS13(ケーブル接合工程)よりも先に行われてもよい。
 この場合には、第1の半田の融点MP1よりも低い融点MP2の第2の半田がケーブル接合部B2に用いられる。すなわち、積層素子10が接合された配線板30(中継接合部B3あり)に、信号ケーブル40を接合する場合には、ケーブル接合部B2の第2の半田の融点MP2は、素子接合部B1の第1の半田の融点MP1よりも低い。このため、信号ケーブル40を接合する工程の温度は、融点MP1よりも低く設定できる。このため、素子接合部B1の信頼性が低下することはない。なお、融点MP2は、融点MP1より、10℃以上低いことが好ましく、20℃以上低いことが特に好ましい。
<第1実施形態の変形例1>
 図5に示す変形例1の撮像モジュール1Aの中継接合部B3は、第3の半田による半田接合部である。
 第3の半田の融点MP3は、第1の半田の融点MP1および第2の半田の融点MP2よりも低い。さらに、積層素子10は、中継接合部B3の後面電極20Pが、素子接合部B1から離れた位置に配設されている。このため、後面電極20Pに第1の電極30P1を半田接合するときに印加される熱が、素子接合部B1に直接伝わることがない。このため、撮像モジュール1は、半田接合時に積層素子10が破損するおそれがなく、信頼性が高い。
 このため、中継接合部B3による第3の接合工程の第3の温度T3は、融点MP1および融点MP2よりも低く設定できる。このため、素子接合部B1およびケーブル接合部B2の信頼性が低下することはない。
 すなわち、複数の半田接合部を有する撮像モジュールでは、後に接合処理が行われる接合部の半田は、それよりも前に接合処理が行われる半田よりも低融点の材料が用いられる。
<第1実施形態の変形例2>
 本変形例の撮像モジュール1Bは、撮像モジュール1Aと同じように中継接合部B3が半田接合部である。そして、図6および図7に示すように、撮像モジュール1Bの配線板30Bは背面30SBに、レーザー照射用の伝熱端子36を有する。伝熱端子36は貫通導体35を介して配線板30B上にある第1の電極30P1とつながっている。伝熱端子36および貫通導体35は、熱伝導性の高い、例えば、銅またはアルミニウム等からなる。伝熱端子36の表面はレーザーの吸収効率を高めるために反射率低減処理(粗化処理、着色処理等)が行われていてもよい。
 撮像モジュール1Bは超小型であるため、中継接合部B3は、例えば、20μm~50μmと極めて小さい。更に、複数の中継接合部B3の配置間隔は、50μm~200μmと極めて狭い。
 撮像モジュール1Bでは、中継接合部B3の第3の半田は、レーザー加熱により溶融し接合する。レーザー加熱では、微少領域だけを局所的に加熱することができる。このため、周囲の別の中継接合部B3に悪影響を及ぼすことがない。
 さらに、伝熱端子36および貫通導体35を介して熱が電極30P1に印加されるため、配線板30の基体(樹脂)を介しての伝熱よりも、効率良く、接合することができる。
<第1実施形態の変形例3>
 本変形例の撮像モジュール1Cは、撮像モジュール1Bと類似し、同じ効果を有する。
 図8に示すように、撮像モジュール1Cの配線板30Cは、伝熱端子36が、積層素子10の後面電極20Pよりも外側(上側)に配置されている。すなわち、配線板30Cは、配線板30Bよりも上側が突出している。
 伝熱端子36が配設されている領域は、中継接合部B3が接合されたあとは、不要な領域である。このため、図9に示すように、配線板30Cは中継接合部B3が接合されたあとに、伝熱端子36が配設されている上部が分離され小さくなる。このため、撮像モジュール1の外寸が、伝熱端子36を配設するために大きくなることはない。
 配線板30Cは、伝熱端子36が上側にあるため、レーザー照射が容易である。また、配線板30Cは、第1の電極30P1の対向領域に伝熱端子36がないため、設計の自由度が高く、例えば、対向領域に電子部品等を実装することもできる。
<第2実施形態>
 図10に示すように、本実施形態の内視鏡9を含む内視鏡システム8は、内視鏡9と、プロセッサ80と、光源装置81と、モニタ82と、を具備する。内視鏡9は挿入部90と操作部91とユニバーサルコード92とを有する。内視鏡9は、挿入部90が被検体の体腔内に挿入されて、被検体の体内画像を撮影し画像信号を出力する。
 挿入部90は、撮像モジュール1または1A~1C(以下、撮像モジュール1等という)が配設されている先端部90Aと、先端部90Aの基端側に連設された湾曲自在な湾曲部90Bと、湾曲部90Bの基端側に連設された軟性部90Cとによって構成される。湾曲部90Bは、操作部91の操作によって湾曲する。なお、内視鏡9は硬性鏡であってもよいし、カプセル型内視鏡でもよい。
 内視鏡9の挿入部90の基端側には、内視鏡9を操作する各種ボタン類が設けられた操作部91が配設されている。
 光源装置81は、例えば、白色LEDを有する。光源装置81が出射する照明光は、ユニバーサルコード92および挿入部90を挿通するライトガイド(不図示)を介して先端部90Aに導光され、被写体を照明する。
 内視鏡9は、挿入部90と操作部91とユニバーサルコード92とを有し、挿入部90の先端部90Aに配設された撮像モジュール1等が出力する撮像信号を、挿入部90を挿通する信号ケーブル40にて伝送する。
 撮像モジュール1等は超小型であるため、内視鏡9は、挿入部90の先端部90Aが細径で低侵襲である。また、撮像モジュール1等は、撮像素子が出力する撮像信号を撮像素子の直近に配置した積層素子10により1次処理するため、内視鏡9は高品質の画像を表示する。さらに、撮像モジュール1等は、製造時に半田が再溶融することがないため、内視鏡9は信頼性が高い。
 本発明は上述した実施形態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~1C・・・撮像モジュール
9・・・内視鏡
10・・・積層素子
10SB1・・・第1の領域
10SB2・・・第2の領域
11・・・撮像素子
12・・・カバーガラス
13・・・接着層
20・・・撮像素子
20P・・・後面電極
20P2・・・検査用端子
21L・・・素子配線パターン
21~24・・・半導体素子
29・・・絶縁層
30・・・配線板
30P1・・・第1の電極
30P2・・・第2の電極
31・・・中継配線パターン
36・・・伝熱端子
40・・・信号ケーブル
82・・・モニタ
90・・・挿入部
90A・・・先端部
G1・・・素子接合部
G2・・・ケーブル接合部
G3・・・中継接合部

Claims (11)

  1.  撮像モジュールを有する内視鏡であって、
     前記撮像モジュールが、
     受光面と前記受光面と対向する後面と4側面とがある直方体で、撮像素子を含む複数の素子が積層され、複数の素子接合部を介して電気的に接続されており、前記後面に後面電極が配設されている積層素子と、
     前記積層素子の前記後面電極に、中継接合部を介して電気的に接続されている第1の電極と、前記第1の電極と中継配線パターンを介して電気的に接続されている第2の電極と、が配設されている中継部と、
     前記中継部の前記第2の電極とケーブル接合部を介して電気的に接続されている信号ケーブルと、を具備する撮像モジュールであって、
     前記積層素子は、前記後面を二分割した第1の領域と第2の領域とのうちの前記第1の領域を光軸方向に延長した第1の空間内だけに前記複数の素子接合部が配設されており、前記第2の領域だけに前記後面電極が配設されていることを特徴とする内視鏡。
  2.  受光面と前記受光面と対向する後面と4側面とがある直方体で、撮像素子を含む複数の素子が積層され、複数の素子接合部を介して電気的に接続されており、前記後面に後面電極が配設されている積層素子と、
     前記積層素子の前記後面電極に、中継接合部を介して電気的に接続されている第1の電極と、前記第1の電極と中継配線パターンを介して電気的に接続されている第2の電極と、が配設されている中継部と、
     前記中継部の前記第2の電極とケーブル接合部を介して電気的に接続されている信号ケーブルと、を具備する撮像モジュールであって、
     前記積層素子は、前記後面を二分割した第1の領域と第2の領域とのうちの前記第1の領域を光軸方向に延長した第1の空間内だけに前記複数の素子接合部が配設されており、前記第2の領域だけに前記後面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.  前記ケーブル接合部が第2の半田を用いた接合部であり、
     前記中継接合部が、前記第2の半田よりも低融点の第3の半田を用いた接合部、または、半田を用いない接合部であることを特徴とする請求項2に記載の撮像モジュール。
  4.  前記素子接合部が前記第2の半田よりも高融点の第1の半田を用いた接合部であることを特徴とする請求項3に記載の撮像モジュール。
  5.  前記積層素子が、前記後面を覆う絶縁層を有し、
     前記後面の前記素子接合部と前記後面電極とを接続する素子配線パターンの一部の上および前記第2の電極の上の前記絶縁層に、それぞれ開口があることを特徴とする請求項2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.  前記中継接合部の配置間隔が、前記素子接合部の前記後面における配置間隔よりも、広いことを特徴とする請求項2から請求項5のいずれか1項に記載の撮像モジュール。
  7.  前記中継部が、フレキシブル配線板であり、
     前記積層素子の前記受光面を光軸方向に延長した第2の空間の内部に、前記中継部が収容されていることを特徴とする請求項2から請求項6のいずれか1項に記載の撮像モジュール。
  8.  撮像素子を含む複数の素子を積層し、素子接合部を介して電気的に接続し積層素子を作製する第1の温度の第1の接合工程と、
     第1の電極と前記第1の電極と中継配線パターンを介して接続されている第2の電極とが配設されている中継部の前記第2の電極に信号ケーブルを電気的に接続する第2の接合工程と、
     前記積層素子の後面電極に、前記中継部の前記第1の電極を電気的に接続する、前記第2の接合工程の第2の温度よりも低い第3の温度の第3の接合工程と、を具備することを特徴とする撮像モジュールの製造方法。
  9.  前記第1の接合工程が、それぞれが前記複数の素子を含む複数の素子ウエハを積層した積層ウエハにおいて行われ、
     前記積層ウエハを切断し、前記積層素子を作製する切断工程を具備することを特徴とする請求項8に記載の撮像モジュールの製造方法。
  10.  前記積層素子は、後面を二分割した第1の領域と第2の領域のうちの前記第1の領域を光軸方向に延長した空間内に前記素子接合部が配設されており、前記第2の領域に前記後面電極が配設されていることを特徴とする請求項8または請求項9に記載の撮像モジュールの製造方法。
  11.  前記第3の接合工程が、レーザー加熱による半田接合工程であることを特徴とする請求項8から請求項10のいずれか1項に記載の撮像モジュールの製造方法。
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