(57)【要約】      （修正有）【課題】寸法、費用、位置決め精度、および動作温度の点で要件を満足する撮像モジュールを提供する。【解決手段】結像光学系に固定される撮像モジュールはチップ２０１を有するパッケージを含む光電式センサであり、プリント回路基板の積層体に電気的に接続される。センサと積層体との組立体は、樹脂で成形されており、プリント回路基板との電気的相互接続部２０４を有する、Ｚ軸に従った面を有する。撮像モジュールは、熱伝導性の剛性受台であるフレーム３００を含む。フレーム３００は、センサを接着する取り付け平面と、上部面を有する。上部面は、対物レンズの光軸を中心合わせし整列させる基準点と、対物レンズを固定するタッピング３１６を含む。取り付け平面はチップ２０１を中心合わせし位置決めする調節された支持点を含む。【選択図】図４
2018117344.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
結像装置（１００）に固定されるように意図された３Ｄ光電式撮像モジュールであって、
−  パッケージ（２０３）を含む光電式センサ（２００）であって、前記パッケージ内において、平面能動面を有し、反対の面上に電気的接続ピン（２０４）を有する光感知チップ（２０１）が収容され、前記電気的接続ピン（２０４）は、
−  電子部品（４０１）を備えた少なくとも１つのプリント回路基板（４００）の積層体
に接続される、光電式センサ（２００）
を含み、
−  センサ（２００）と積層体との組立体は、樹脂（５００）で成形されており、且つ前記プリント回路基板の電気的相互接続トラック（５０２）を形成するために金属被覆及びエッチングされている、Ｚに従った垂直面を有する、３Ｄ光電式撮像モジュールにおいて、
フレーム（３００）であって、前記ピン（２０４）が通過するその中央に開口部（３１４）を画定するフレーム（３００）の形態の熱伝導性の剛性受台を含み、前記フレームは、Ｘ、Ｙに従った基準面と、
○上部面（３０２）において、
前記結像装置を前記基準面に対して中心合わせし且つ整列させるように意図された固定基準点（３１７）と、
前記結像装置の固定を可能にするように意図された固定点（３１６）と、
○前記チップの前記能動面が前記基準面に対して中心合わせされ且つ整列されるように調節された前記センサの支持点（３１３）を有する内側支持面（３０１）と
を有することを特徴とする、３Ｄ光電式撮像モジュール。
【請求項２】
前記基準面は、前記上部面（３０２）であることを特徴とする、請求項１に記載の３Ｄ光電式モジュール。
【請求項３】
前記内側支持面（３０１）は、前記上部面（３０２）と同一線上にあることを特徴とする、請求項２に記載の３Ｄ光電式モジュール。
【請求項４】
前記光電式センサは、カメラの光電式センサであることを特徴とする、請求項３に記載の３Ｄ光電式モジュール。
【請求項５】
前記チップ（２０１）は、４百万画素を含むことを特徴とする、請求項３又は４に記載の３Ｄ光電式モジュール。
【請求項６】
前記フレーム（３００）は、外側がへこんでいる平行六面体の輪郭を有することを特徴とする、請求項３又は４に記載の３Ｄ光電式モジュール。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項に記載の３Ｄ光電式撮像モジュールを製造する方法において、
−  前記センサの前記支持点（３１３）によって前記チップ（２０１）の前記能動面を前記基準面に対して整列させ且つ中心合わせするために、前記光電式センサ（２００）を前記内側支持面（３０１）上で位置決めするステップと、
−  接着により、前記位置決めされたセンサを固定するステップと、
−  前記プリント回路基板の積層体と共にセンサ＋フレーム組立体を組み立てるステップと、
−  前記フレームの前記上部面（３０２）を越えずに、前記積層体及び前記フレームを樹脂（５００）で成形するステップと、
−  側面を取得するために切断軸（５０１）に沿って切断するステップと、
−  前記プリント回路基板を電気的に相互接続するために前記側面を金属被覆及びエッチングするステップと
を含むことを特徴とする、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の分野は、３Ｄ撮像の分野であり、より詳細には、例えば、惑星学、惑星探査、天体観測、又は衛星若しくは打ち上げロケットの監視任務のために、全ての波長で写真又はビデオを撮影するために使用される宇宙空間撮像用光電式モジュールの分野である。
【背景技術】
【０００２】
宇宙産業では、より高い解像度を有するより大きい光電式センサを使用しつつ且つ装置の費用を抑えつつ、３Ｄ光電式撮像モジュールを小型化することが望ましいことが知られている。
【０００３】
図１は、宇宙空間撮像で使用される光電式装置の従来設計を示す。この装置は、光学軸１０３に従って配置される、
−  レンズ１０１及びカメラ対物レンズ１０２を有する結像光学装置１００と、
−  光感知センサ２００と
を含む。
【０００４】
図２は、光電式光感知センサ２００をより詳細に示す。このセンサは、例えば、宇宙用途で一般的に使用される材料であるセラミック製のパッケージ２０３内に接着されたシリコンチップなどの能動部品２０１を含む。センサの基準面は、ほとんどの場合、パッケージ２０３の背面である。ピングリッドアレイ（ＰＧＡ）ピンの形態の電気的接続部２０４は、チップと、プリント回路基板（ＰＣＢ）回路などのパッケージ外部部分との間を確実に接続することを可能にする。パッケージは、パッケージ２０３上に接着されたガラス２０２で覆われている。
【０００５】
カメラ対物レンズ１０２は、チップ２０１と完璧に位置合わせされなければならない。カメラ対物レンズ１０２は、チップの能動面に対して直角でなければならず、且つこの能動面の中央に配置されなければならない。要求される中央位置合わせの精度は、３５μｍ程度である。この中央位置合わせ工程は手動で行われ、光学測定段階が後に続く。この工程は時間がかかり困難であり、また、特定の道具及び有資格者を必要とする。カメラ対物レンズをチップ上において非常に正確に中央に配置することは困難であり、なぜなら、チップ自体がそのパッケージ内で正確に中央に配置されていないからである。図３は、チップをそのパッケージに接着する工程で発生する不正確な位置決めの要点を示す。チップ２０１は、図３ｂに示すように、ＸＹ平面内でオフセットされていることがあり、且つ／又は図３ａに示すように、例えば、接着剤２０５の厚さが一定でないために光学軸１０３に対して垂直誤差を示すことがある。１５０μｍ及び８０μｍ又は更にそれを超える誤差が一般的に観察される。センサ２００が製造されると、チップ２０１はもはやアクセス不可能になり、チップ２０１の位置決めはもはや修正され得ない。その結果、光感知チップの位置決めの精度が所望の最終精度に適合しない。
【０００６】
宇宙用途での問題の１つは、センサを低温に保つことである。光学センサの性能水準は、温度が増加すると非常に急速に低下する。増加するのは主に暗電流であり、実際には黒が灰色になる。宇宙用途では、黒は画像の大部分を占めており、これは宇宙用途で有害である。この問題は、一層高い解像度を有し、従ってより多くの電力を浪費するセンサを使用することによって増幅される。
【０００７】
センサを冷却するために現在用いられる解決策は、熱量を放散及び伝導させるためにペルティエ熱交換器及びラジエータを追加することである。この交換器＋ラジエータはコストが高いうえにその実装が困難であり、なぜなら、チップの交換表面は、チップが接着されているその底面であるからである。加えて、この組立体のかさを考慮すると、センサが接続されるプリント回路基板は遠隔に置かれ、これは欠点を有する。実質的に、センサとプリント回路基板の電子部品とを分離することにより、電子ノイズが誘発される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、これらの欠点を緩和することである。従って、現在、寸法、費用、中央位置合わせ及び整列の精度、並びに動作温度の点で上述した要件の全てを同時に満足する３Ｄ光電式撮像モジュールの必要性が依然として存在する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
より具体的には、本発明の主題は、結像装置に固定されるように意図された３Ｄ光電式撮像モジュールであって、
−  パッケージを含む光電式センサであって、パッケージ内において、平面能動面を有し、反対の面上に電気的接続ピンを有する光感知チップが収容され、電気的接続ピンは、
−  電子部品を備えた少なくとも１つのプリント回路基板の積層体
に接続される、光電式センサ
を含み、
−  センサと積層体との組立体は、樹脂で成形されており、且つプリント回路基板の電気的相互接続トラックを形成するために金属被覆及びエッチングされている、Ｚに従った垂直面を有する、３Ｄ光電式撮像モジュールである。
【００１０】
３Ｄ光電式撮像モジュールは、フレームであって、前記ピンが通過するその中央に開口部を画定するフレームの形態の熱伝導性の剛性受台を含み、このフレームは、Ｘ、Ｙに従った基準面と、
○上部面において、
結像装置を基準面に対して中心合わせし且つ整列させるように意図された固定基準点と、
結像装置の固定を可能にするように意図された固定点と、
○チップの能動面が基準面に対して中心合わせされ且つ整列されるように調節されたセンサの支持点を有する内側支持面と
を有することを主に特徴とする。
【００１１】
この受台を追加することにより、機械的固定、光学的位置合わせ、電気的接続、及び熱放散が同時に確実になる。この単一部品の受台により、とりわけ宇宙分野における光学センサの使用に対する複数の制約が順守される。受台は、製造が容易であり、安価であり、且つ実装が容易な部品である。以降で分かるように、センサを位置決めし且つ接着するには一度の操作で十分である。
【００１２】
基準面は、例えば、上部面である。
【００１３】
内側支持面は、上部面と同一線上にあることが好ましい。
【００１４】
光電式センサは、通常、カメラの光電式センサである。
【００１５】
本発明の別の主題は、上述の３Ｄ光電式撮像モジュールを製造する方法において、
−  センサの支持点によってチップの能動面を基準面に対して整列させ且つ中心合わせするために、光電式センサを内側支持面上で位置決めするステップと、
−  接着により、位置決めされたセンサを固定するステップと、
−  プリント回路基板の積層体と共にセンサ＋フレームの組立体を組み立てるステップと、
−  フレームの上部面を越えずに、積層体及びフレームを樹脂で成形するステップと、
−  側面を得るために、Ｚに従った切断軸に沿って切断するステップと、
−  プリント回路基板を電気的に相互接続するために側面を金属被覆及びエッチングするステップと
を含むことを特徴とする、方法である。
【００１６】
非限定的な例として与えられ、添付の図面を参照する以降の詳細な説明を読むことにより、本発明の他の特徴及び利点が明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】既に説明されており、先行技術による光電式撮像装置を概略的に表す。
【図２】既に説明されており、断面図で見た先行技術による光電式センサの一例を概略的に表す。
【図３ａ】その平面内でのチップの位置決め誤差（上面図を図３ｂに示す）と、光学軸に対するチップの位置決め誤差（断面図を図３ａに示す）とを示す。
【図３ｂ】その平面内でのチップの位置決め誤差（上面図を図３ｂに示す）と、光学軸に対するチップの位置決め誤差（断面図を図３ａに示す）とを示す。
【図４】断面図で見た本発明による３Ｄ光電式撮像モジュールで使用される素子の例を概略的に示す。
【図５】斜視図で見た本発明による３Ｄ光電式撮像モジュールで使用されるフレームの例を概略的に示す。
【図６】センサを収容しようとしている、熱界面を有するフレームの例を概略的に表す。
【図７ａ】本発明による３Ｄ光電式撮像モジュールの製造工程を概略的に示し、センサ＋受台＋積層体の組立体を樹脂で成形する工程を示す。
【図７ｂ】本発明による３Ｄ光電式撮像モジュールの製造工程を概略的に示し、成形された組立体を切断する工程を示す。
【図８】斜視図で見た本発明による３Ｄ光電式撮像モジュールの例を概略的に表す。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
ある図から別の図にかけて、同一の要素は同一の参照符号によって識別される。
【００１９】
以降の説明では、「正面」、「背面」、「上部」、「底部」という表現は、記載される図の向きを参照して用いられる。要素を他の向きに従って配置することができる場合、方向を示す用語は限定するものではなく、例示するものとして示される。
【００２０】
本発明による３Ｄ光電式撮像モジュール内に含まれる要素の例を図４及び図５に関連して説明する。３Ｄ光電式撮像モジュールは、剛性フレーム３００の形態の受台を含み、この受台内には、センサ２００が配置され、その背面２１５で接着されている。フレームの開口部３１４は、電気的接続部２０４が通過できるように設けられている。この開口部は、一般的には矩形であるが、必ずしもそうである必要はない。
【００２１】
このフレーム３００は、以下の２つの平面を有するブロックから機械加工される。
−  センサを接着するための取り付け平面３０１、及び
−  上部面３０２の平面。
【００２２】
これらの２つの平面のうちの１つが基準面である。以降の説明では、上部面３０２の平面が基準面であるとみなされる。
【００２３】
フレーム３００は、以下を含む。
−  取り付け平面３０１において、フレームの基準面に対してチップ２０１を３軸で整列させるために使用されるセンサ用の支持点３１３（支持点は３つが好ましい）、
−  フレームの基準面に対してカメラ対物レンズの光学軸を中心合わせし且つ整列させるように意図された、カメラ対物レンズ１０２を固定するためのその上部面３０２上の基準点３１７。この例では、２つの基準点が用いられており、一方は楕円形であり他方は円形であり、当然のことながら、１つ又は複数の他の基準点を用いることも可能であり、
−  カメラ対物レンズ１０２をフレームに固定するための手段と協働するように意図された、その上部面３０２上のタッピング３１６又は他の均等な手段。
【００２４】
フレームの輪郭は平行六面体であり、２つのへこんだ側面を有する図５の例のように外側がへこんでいることがある。フレームの内側の輪郭は、センサの形状と対応する形状を有する。
【００２５】
センサ２００をフレーム３００に接着する工程は、例えば、「ピック＆プレース」型の位置決め機械によって実施される。この機械は、フレームの接着表面３０１（＝センサの支持表面）上に接着剤を置き、次いでフレーム内のこの表面上にセンサ２００を配置し、次いで支持点３１３によって３軸でセンサの位置を調節することにより、フレームに対して（即ち、基準面に対して）チップ２０１の光学的位置合わせを実施する。この位置合わせにより、基準面に対するチップ２０１の垂直誤差及び取り付け平面におけるオフセット誤差、即ち、図３ａ及び図３ｂに図示した誤差を補正することが可能になる。この機械は、接着剤の重合中、組立体（センサ＋フレーム）を所定の位置に保持する。接着剤は、通常、充填剤を含む又は含まないエポキシ樹脂である。この工程は一度の段階で実施され、後に続く設定操作の全てを不要にする。従って、センサの接着工程後、チップ２０１の感光性の面（＝接続ピンと反対の面）は、基準面、この場合にはフレームの上部面３０２と同一線上にある。
【００２６】
通常、３５μｍ程度である取り付け平面の位置決め精度はこのように得られる。
【００２７】
センサがこのようにフレームに固定されると、結像装置のカメラ対物レンズ１０２を、図４及び図５に見られるようなフレームの上部面上の固定基準点３１７及びタッピング３１６により、フレーム３００に固定することができるようになる。これらの２つの工程（センサを接着する工程及びカメラ対物レンズを固定する工程）が完了すると、以下が保証される。
−  チップの光感知面がフレームの基準面と同一線上になり、且つ中心合わせされる。
−  カメラ対物レンズの光学軸がフレームの基準面に対して直角になり、カメラ対物レンズが中心合わせされる。
【００２８】
取り付け平面３０１を基準面としてみなして同じ工程が適用される。
【００２９】
取り付け平面と上部面の平面とは、有利には、構造により同一線上にある。
【００３０】
チップ２０１は、４百万画素を含むことができる。
【００３１】
フレームは、有利には、アルミニウム又は銅などの熱伝導性の材料でできている。接着工程前に、図６に示す熱界面３１８を接着面３０１上に配置することが好ましい。この熱界面は、電気的接続ピン２０４の通過を可能にしながら、センサの周辺部の熱的接触を確実に良好にすることができる。この熱界面により、全く同一の製品において交換器の機能とラジエータの機能とを保証することができる。前述したように、センサ２００をフレームに固定することも可能であるＵＶ接着剤などの熱伝導性接着剤が一般的に使用される。充填剤を含む又は含まないエポキシ樹脂を接着剤として使用することにより、得られる熱伝導率は、センサ２００と機械的固定面３０１との間で４℃／Ｗ未満である。
【００３２】
センサがフレームに固定されると、センサ＋フレームの組立体はプリント回路基板４００の積層体と組み立てられ、４つのプリント回路基板４００の積層体を有する図７ａ、図７ｂに示すように、このプリント回路基板４００の積層体のそれぞれは、片面又はその両面上に１つ又は複数の能動及び／又は受動の電子部品４０１を含む。これらの部品４０１は、通常、寄生的干渉をフィルタリングするため、またセンサを保護するための受動部品であり、また、チップによって受信される信号のための処理ユニット、電源などの能動部品である。
【００３３】
センサについての問題の１つは、これらのプリント回路基板との機械的固定及び電気的接続を一緒に確実にすることである。これらのプリント回路基板への接続は、電気的接続接点及び場合により電子部品を含む第１のプリント回路基板ＰＣＢを通して行われる。このＰＣＢ４００はフレーム３００に固定されており、センサ２００の接続ピン２０４は、ろう付けによりＰＣＢの接続接点に電気的に接続される。例えば、ピン２０４はＰＣＢを貫通し、ＰＣＢの底面側でろう付けされる。フレーム３００は、このようにしてセンサとＰＣＢとの間に挟まれる。この態様は機械的強度を高め、またＰＣＢは、センサ２００又はチップ２０１と特に同じ平面内にある必要はない。この配置により、前述したように熱界面を使用しているにもかかわらず、チップと積層体の電子部品とが近接することが可能になる。この解決策により、画像取り込み時に発生する電子ノイズを著しく低減することが可能である。
【００３４】
次いで、図７ａに見られるように、センサ＋受台＋積層体の組立体は、受台の基準面３０２の高さまで、又は図に見られるようにその少し下の高さまで樹脂５００で成形される。フレームのＸＹによる寸法は、図に見られるように積層体の寸法よりも小さい。次いで、成形された組立体は、（Ｚ軸における）垂直切断軸５０１に従って切断され、この軸に対して、図７ｂに示すように各プリント回路基板の導電性トラック４０２が揃っている。次いで、垂直面を金属被覆及びエッチングして、図８に示すように積層体の回路間に電気的相互接続部５０２を生成する。最後のプリント回路基板４００は、外部電気接続手段４０４を具備する。
【００３５】
図８に一例が示されるそのようなモジュールは、
−  その側面上の相互接続トラック５０２と、
−  結像装置１００を固定するためのそのタッピング３１６及びその基準点３１７を上部面が有しているのが見られる受台３００と、
−  保護ガラス２０２及びパッケージ２０３が見られるセンサと
を有し、撮像用途のために、とりわけ宇宙空間撮像用途のために結像装置１００と関連付けられ得る。
【符号の説明】
【００３６】
１００  結像光学装置
１０１  レンズ
１０２  カメラ対物レンズ
１０３  光学軸
２００  光電式光感知センサ
２０１  チップ
２０２  ガラス
２０３  パッケージ
２０４  電気的接続部
２０５  接着剤
２１５  背面
３００  フレーム
３０１  取り付け平面
３０２  上部面
３１３  支持点
３１４  開口部
３１６  タッピング
３１７  固定基準点
３１８  熱界面
４００  プリント回路基板
４０１  電子部品
４０２  導電性トラック
４０４  外部電気接続手段
５００  樹脂
５０１  切断軸
５０２  相互接続トラック
【図１】
2018117344.tif 000003
【図２】
2018117344.tif 000004
【図３ａ】
2018117344.tif 000005
【図３ｂ】
2018117344.tif 000006
【図４】
2018117344.tif 000007
【図５】
2018117344.tif 000008
【図６】
2018117344.tif 000009
【図７ａ】
2018117344.tif 000010
【図７ｂ】
2018117344.tif 000011
【図８】
2018117344.tif 000012
【外国語明細書】
2018117344000001.pdf