(57)【要約】【課題】  小型、薄膜化し、かつより高性能化した撮像モジュールを得る。【解決手段】  台座基板４には凹面状に湾曲する湾曲部４１が設けられているが、上記湾曲部４１は、撮像装置のレンズモジュールの収差により生じる像面湾曲に対応して湾曲している。台座基板４には緩衝材膜２が設けられているが、緩衝材膜２は台座基板４の湾曲部の形状に沿って湾曲しており、上記緩衝材膜２には撮像素子１が、その撮像面が上記湾曲部の形状に湾曲して設けられている。上記緩衝材膜２は、温度上昇による台座基板４と撮像素子１の熱膨張率の差の、撮像素子１への影響を緩和するための膜であり、緩衝材膜２もその上下面が上記湾曲形状に沿って湾曲し、撮像素子１および緩衝材膜２が共に、台座基板４の湾曲部と同様の湾曲形状を保持したまま積層されている。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
凹面状に湾曲する湾曲部が設けられた台座基板と、この台座基板の上記湾曲部に設けられ、上記湾曲部の形状に沿って湾曲した緩衝材膜と、この緩衝材膜の湾曲面に設けられ、撮像面が上記湾曲部の形状に湾曲した撮像素子とを備えた撮像モジュール。
【請求項２】
緩衝材膜と撮像素子の熱膨張率の違いが、上記撮像素子の熱膨張率の±５０％以下であることを特徴とする請求項１に記載の撮像モジュール。
【請求項３】
緩衝材膜の厚さのバラツキが±１５％以内であることを特徴とする請求項１に記載の撮像モジュール。
【請求項４】
緩衝材膜が能動素子であることを特徴とする請求項１に記載の撮像モジュール。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の撮像モジュールと、この撮像モジュールの光入射側に配置されたレンズモジュールとを備えた撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、湾曲した撮像素子を用いた撮像モジュールと、これを用いたデジタルカメラやカメラ付携帯電話に搭載される撮像装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
デジタルカメラ機器やカメラ付携帯電話などでは、撮像性能の向上と機器の軽薄・短小化が要求されている。そのために、撮像素子を湾曲できる膜厚まで薄膜化して、その湾曲形状を保持したまま基材上に接着剤などで固定した固体撮像装置があり、結像光学系の収差を修正するためのレンズが不要になり軽薄・短小化を実現している（例えば、特許文献１参照）。
また、半導体ベアチップが一方の面で配線基板にフリップチップ実装され、他方の面に結像光学系の撮像レンズの収差により生じる像面湾曲に応じた湾曲面が形成され、この半導体ベアチップの湾曲面にその湾曲形状に沿わせて撮像素子の裏面を貼り合わせた固体撮像装置がある（例えば、特許文献２参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−１５６１２７８号公報（第１頁）
【特許文献２】特開２００３−１８８３６６号公報（第１頁）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記のように撮像モジュールの小型化、薄膜化、高性能化のために撮像素子チップを湾曲させているが、撮像素子は湾曲可能な程度に薄膜化しているため温度の影響を受け易くなっている。
上記特許文献１では基材と撮像素子の熱膨張率が異なるため、温度上昇により熱膨張率の差に起因する応力が発生し、薄膜化された撮像素子が変形して焦点がぼやけるという課題があった。
また、上記特許文献２では、撮像素子と半導体ベアチップが共にシリコン基板であるため両者の熱膨張率の差による応力発生は防止できるが、撮像素子を固定している半導体ベアチップには結像光学系の撮像レンズの収差により生じる像面湾曲に応じた湾曲面が設けられている。半導体ベアチップ内には上記湾曲面を設けることによる膜厚差があり、そのため半導体ベアチップには、温度上昇に伴い上記膜厚差による反りが発生し、撮像素子が変形し、画像がぼやけるという課題があった。
【０００５】
本発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、小型、薄膜化し、かつより高性能化した撮像モジュールおよび撮像装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る第１の撮像モジュールは、凹面状に湾曲する湾曲部が設けられた台座基板と、この台座基板の上記湾曲部に設けられ、上記湾曲部の形状に沿って湾曲した緩衝材膜と、この緩衝材膜の湾曲面に設けられ、撮像面が上記湾曲部の形状に湾曲した撮像素子とを備えたものである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の第１の撮像モジュールは、凹面状に湾曲する湾曲部が設けられた台座基板と、この台座基板の上記湾曲部に設けられ、上記湾曲部の形状に沿って湾曲した緩衝材膜と、この緩衝材膜の湾曲面に設けられ、撮像面が上記湾曲部の形状に湾曲した撮像素子とを備えたもので、湾曲撮像素子において発生する温度上昇に伴う応力発生などによる画像のぼやけを解消することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１の撮像モジュールの説明図で、台座基板４には凹面状に湾曲する湾曲部４１が設けられているが、上記湾曲部４１は、下記レンズモジュールの収差により生じる像面湾曲に対応して湾曲している。
台座基板４には緩衝材膜２が設けられているが、緩衝材膜２は台座基板４の湾曲部の形状に沿って湾曲しており、上記緩衝材膜２には撮像素子１が、その撮像面が上記湾曲部の形状に湾曲して設けられている。
上記緩衝材膜２は、温度上昇による台座基板４と撮像素子１の熱膨張率の差の、撮像素子１への影響を緩和するための膜であり、上記熱膨張率の差に起因する撮像素子１への応力の発生を防止するもので、緩衝材膜２もその上下面が上記湾曲形状に沿って湾曲し、撮像素子１および緩衝材膜２が共に、台座基板４の湾曲部と同様の湾曲形状を保持したまま積層されている。
【０００９】
撮像装置においては、結像レンズが組み込まれたレンズモジュールを用いて被写体を撮像素子の撮像面で結像させるが、結像レンズで被写体を結像させる場合、像面湾曲と呼ばれるレンズの集差が発生する。しかし、本実施の形態の撮像モジュールにおいては、上記のように、レンズの収差により生じる像面湾曲に対応して撮像素子１が湾曲しているために、収差補正用レンズが不要になり、レンズ枚数を削減できるのでレンズ筐体部分の高さを削減することができる。
なお、本実施の形態においては撮像素子１および緩衝材膜２を湾曲固定するために、撮像素子１および緩衝材膜２の膜厚は１００μｍ以下が望ましく、５０μｍ以下がさらに望ましい。
また、撮像素子のサイズは特に限定されるものではないが、緩衝材膜２のサイズよりも小さいことが積層する場合の位置合わせが容易になるため望ましい。
また、チップの縦横の寸法比は、特に限定されないが、湾曲時の変形を均一化するために１．２倍以内が望ましく、湾曲させた場合に発生する応力の均一性の点からは、同じであることがさらに望ましい。
【００１０】
また、本実施の形態の撮像モジュールにおいては、撮像素子１を直接台座基板４に固定するのではなく、緩衝部材膜２を介して積層することにより、台座基板４との熱膨張率差などにより発生する応力の影響が受けにくくなるため、温度上昇により撮像素子１が変形し、画像がぼやけることが防止され信頼性が向上する。
本実施の形態に係わる撮像素子１は、人工網膜チップやＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ）、ＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ  Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）型撮像素子など特に限定されるものではないが、この場合、上記緩衝部材膜２として撮像素子１と同じＳｉ基板を用いると熱膨張率が撮像素子１と同じになるため、台座基板４との熱膨張率差などで撮像素子に応力が発生するのを防止できるため好ましい。なお、緩衝材膜２と撮像素子１の熱膨張率の差が上記撮像素子１の熱膨張率の±５０％以下であっても同等の効果を得ることができる。
また、緩衝材膜２の上下面を同様に上記湾曲形状に沿って湾曲しているので、緩衝材膜２の膜厚内のバラツキが小さく、温度上昇に伴う反りが発生するのを防止でき、撮像素子の変形が防止できるという効果がある。なお、膜厚内のバラツキは実質的に０に近付けることが好ましいが、膜厚のバラツキが±１５％以下であっても緩衝材膜２としての効果を得ることができる。
【００１１】
なお、上記台座基板４としては、一般的にはガラスエポキシ基板等の多層配線板を用いるが、アラミド繊維エポキシ基板または熱可塑樹脂を用いた配線板等を用いることも可能である。また、多層配線板でなくても、湾曲させた撮像素子を固定できる剛性が保持されていれば、材料は限定されるものではない。
【００１２】
実施の形態２．
図２は、本発明の実施の形態２の撮像モジュールの製造方法を説明する工程図で、緩衝材膜２として信号処理をおこなうＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）などのＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  Ｓｐｅｃｉｆｉｃ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ）等、能動素子を用いた場合について説明する。
また、緩衝材膜２として能動素子に限定して説明しているが、能動素子でなくともトランジスタ回路を持たないＳｉ基板、貫通配線など導体回路を形成してあるＳｉ基板であっても良く、上記実施の形態１に記載した条件を有するものであれば特に限定されるものではない。
また、能動素子は信号処理用にとどまらず、薄膜化できる素子であれば特に限定されず、緩衝材膜の積層数は、特に限定されるものではない。
【００１３】
まず、湾曲部４１が設けられた台座基板４上に接着剤３を塗布し、緩衝材膜となる上記Ｓｉ基板からなる能動素子２を所定の位置に位置あわせをする｛図２（ａ）｝。
さらに、台座基板４表面と能動素子（緩衝材膜）２を覆うようにカバー５をするが、カバー５をかぶせる前に、台座基板４と能動素子２とを覆うようにフィルム２６をかぶせる｛図２（ｂ）｝。なお、カバー５は、後の工程で加圧する空気が漏れないように、台座基板４とフィルム２６、およびカバー５とフィルム２６の接触部に隙間ができないように充分密着して加圧するためのものである。
次に、カバー５に設けられた孔５１より能動素子２が湾曲するのに充分な空気の圧力６で、フィルム２６を変形させ湾曲させることにより、間接的に能動素子２を加圧し台座基板４の湾曲部に沿う形に変形させるとともに、接着剤３を密着させ、加熱処理や紫外線照射などにより接着層を硬化することで、能動素子２を台座基板４上に固定する｛図２（ｃ）｝。
上記工程において、フィルム２６を用いて間接的に能動素子２を変形させているが、これは加圧の均一化を図るためであり、特に必要がなければフィルムを用いないで、直接能動素子を空気の圧力で加圧して湾曲させても良い。また、空気ではなく、窒素などの不活性なガスを用いることも可能であり、特に限定されるものではない。
【００１４】
次に、カバー５を取り除き｛図２（ｄ）｝、湾曲固定した能動素子２上に接着剤３を塗布し、さらに能動素子２上の所定の位置に薄膜化した撮像素子１を接着剤中に気泡を含まないように積層し、上記と同様にフィルム２６をかぶせた後、台座基板４と撮像素子１の積層物を覆うようにカバー５をする｛図２（ｆ）｝。
次に、カバー５に設けられた孔５１より空気６を送り込んで、撮像素子を加圧し台座基板の湾曲部に沿う形に変形させるとともに、接着剤層を密着させ、加熱処理など接着剤の硬化処理をおこない、撮像素子１を能動素子２上に固定して｛図２（ｇ）｝撮像モジュール１１を得る｛図２（ｈ）｝。
【００１５】
接着剤としては、加熱により硬化する熱硬化性接着剤、紫外線などのエネルギー線の照射により硬化する紫外線硬化型接着剤、室温硬化の接着剤または嫌気性の接着剤など特に限定されるものではなく、撮像素子および緩衝材膜の湾曲形状を保持できる接着剤であれば特に限定はされず、接着剤の形状は液状でも良くシートまたはフィルムでも良い。
また、撮像素子１を緩衝材膜である能動素子２に接着剤を塗布する場合、本実施の形態では能動素子２に塗布するが、撮像素子の裏面におこなっても良く、接着面積も特に限定されるものではなく、液状の場合には、固着された後に余分な樹脂が撮像素子表面を汚染しない範囲で塗布すれば良く、シート状、フィルム状接着剤であれば、チップサイズよりも大きな面積で形成しても良い。
【００１６】
なお、接着剤としては、例えば紫外線硬化型接着剤｛商品名：ＴＢ３０００，Ｔｈｒｅｅ−ｂｏｎｄ（株）製｝、｛商品名：３１００，Ｔｈｒｅｅ−ｂｏｎｄ（株）製｝、｛商品名：ＤＥＳＯＬＩＴＥ，ＪＳＲ（株）製｝などが好適に用いることができるが、紫外線硬化樹脂を用いる場合には、台座基板４には紫外線が透過する基材、例えばアクリル樹脂などで成型されたものを用いることが必要である。また、紫外線の透過性は低いが、ＦＲ４ガラスエポキシ基材｛商品名：ＧＥＰＬ１７０，三菱瓦斯化学（株）製｝を用いても良い。
また、不透明基材としてアルミなどの金属やセラミックなどを用いた場合には、紫外線照射を必要としない加熱硬化型接着剤を用いれば良い。
なお、接着剤層の膜厚制御が難しい場合には、スペーサを用いることも有効でスペーサとしては、材質は特に限定されず、樹脂、金属、セラミックまたはこれらの複合体の粒子を用いることができる。
【００１７】
実施の形態３．
図３は、本発明の実施の形態３の撮像装置の説明図で、上記実施の形態により得られた撮像モジュールとレンズモジュール９とを組み合わせて得られたもので、能動素子を緩衝材膜２としているので、能動素子の実装面積を省略することができるため、撮像装置の薄型化と小型化も同時に実現することができる。
なお、レンズモジュール９のレンズ９１部分は、３枚構成のレンズを用い、全てを重ね合わせてネジ切りしたリング状のプラスチック製支持部材に接着剤を用いて固定する、さらにレンズ筐体部９２は、プラスチック製の円筒状の筐体とし、内部にねじ切りをして上述のレンズをはめ込む。レンズの枚数は特に制限を受けるものではなく、湾曲形状やその湾曲曲率、さらには用いる撮像素子の種類や画素数に応じて設計したものを用いれば良く、特に限定されるものではない。必要な画像に応じて２枚でも４枚でも良く、さらに５枚以上でも良い。さらには、これらの素材は特に限定されるものではなく有機物、無機物でも良い。さらに、このようにして作製したレンズモジュール９を画像を確認しながら、その位置を調整して画像が最も良くなる位置に固定し、接着剤などで固定する。
撮像素子の画素数はデジタルカメラでは５００万画素、カメラ付携帯電話では２００万画素であり、画素数の増大とともに信号処理も高速化・大容量化するため、能導体素子、コンデンサなどの受動素子の数量、面積ともに増加の一途にあり、上記素子類を緩衝材膜２として、本実施の形態におけるように積層することにより撮像装置の薄型化と小型化を実現できる。
【実施例】
【００１８】
実施例１．
撮像素子としてＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ）、緩衝部材膜となる能動素子としてＤＳＰのＡＳＩＣを用いて、実施の形態２の製造方法により撮像モジュールを製造する。なお、撮像素子と能動素子の膜厚はそれぞれ４０μｍで面内膜厚バラツキは±１５％以内であり、撮像素子の平面寸法は５．６ｍｍ×６ｍｍ、能動素子の寸法は９ｍｍ×９ｍｍである。
湾曲部を設けた台座基板としては、厚み０．６ｍｍの６層のＦＲ４多層配線板を用い、湾曲部は、直径１５ｍｍ、湾曲部の曲率は半径２０ｍｍ、中心部の深さは０．３ｍｍである。
また、コンデンサ、抵抗体などの受動部品などは既に実装されているものを用い、能動素子裏面と台座基板とを接合するための接着剤には、カチオン系紫外線硬化接着剤｛商品名：ＴＢ３１００，Ｔｈｒｅｅ−ｂｏｎｄ（株）製｝を用い、能動素子を固定する工程では、カバーで密封した後、９８Ｎ／ｃｍ２（１０ｋｇ／ｃｍ２）の加圧空気で能動素子を加圧して能動素子を湾曲させる。
さらに、この状態で固定したまま、紫外線照射装置｛商品名：スポットキュアＵＩＳ−５０１０１ＡＡ，ＵＳＨＩＯ（株）製｝を用いて、台座基板側から１８０秒間紫外線を照射し、接着剤を硬化させる。この後、カバーを取り除くが、接着剤層の厚みは１μｍであった。
さらに能動素子上に撮像素子を接着するには、接着剤として熱硬化型の接着剤｛商品名：ＴＢ２２０２Ｆ，Ｔｈｒｅｅ−ｂｏｎｄ（株）製｝を用い、マイクロディスペンサを用いて、能動素子上に塗布しておく。そして、撮像素子を能動素子上の所定の箇所に位置合わせした後、９８Ｎ／ｃｍ２（１０ｋｇ／ｃｍ２）の加圧空気で撮像素子を加圧し湾曲させる。さらに撮像素子を湾曲し固定したまま、オーブン中で９０℃３０分間加熱して接着剤を硬化し、撮像素子を能動素子上に湾曲形状を保ったまま固定して得られた撮像モジュールでは、撮像素子と能動素子間の接着材層の厚みは２μｍである。
【００１９】
実施例２．
実施例１において、撮像素子として２００万画素のＣＣＤを用いて得られた撮像モジュールを用い、これに実施の形態３に示すようにしてレンズモジュール９を組み合わせて図３に示す撮像装置得る。
【００２０】
比較例１．
実施例１において、実施例１と同様に台座基板４には湾曲部４１を設けてＣＣＤ（撮像素子）１は湾曲させるが、信号処理用ＬＳＩ（能動素子）２２は台座基板であるプリント配線板の裏面に実装するように、実施例１と同様にして製造した撮像モジュールを用い、実施例２と同様にして図４に示す撮像装置を得る。
【００２１】
比較例２．
実施例１において、台座基板４には湾曲部を設けず、またＣＣＤ（撮像素子）１は湾曲させず、信号処理用ＬＳＩ（能動素子）２２は台座基板であるプリント配線板の裏面に実装するように、実施例１と同様にして製造した撮像モジュールを用い、実施例２と同様にして図５に示す撮像装置を得る。
【００２２】
表１に、実施例２、比較例１および比較例２の撮像装置の厚さを示すが、表１に示すように、比較例と比べて実施例２の撮像装置が薄膜化され、最大で３０％以上薄膜化することができたことが示される。
【００２３】
【表１】
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【００２４】
実施例２、比較例１または比較例２の撮像装置を用いて、表２に示す各スパティアル  フリケンシィ（Ｓｐａｔｉａｌ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ：ｌｐ／ｍｍ）の白黒パターンを撮像し、モジュレーション（Ｍｏｄｕｒａｔｉｏｎ：画像信号の歪みを総合的に示す値で、設計したパターンどおりに出力されていれば１００％となる。）を測定して測定結果を表２に示す。
【００２５】
【表２】
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【００２６】
図４、図５に示すように、比較例１および比較例２では撮像素子１の映像信号がワイアボンドを通じて配線基板(台座基板)上に伝送された後、ＤＳＰ（能動素子）２２に伝送される。
一方、実施例２の撮像装置では信号処理のＤＳＰ（能動素子）２を撮像素子１の直下に設けているので、撮像素子とＤＳＰの電気的な接合がワイアボンドで行われるため、信号が配線基板上を流れることなく信号処理されるため、信号伝送距離の短縮による伝送損失の低減と外部ノイズの影響を低減させることができ、その結果、表２に示されるようにモジュレーション（Ｍｏｄｕｒａｔｉｏｎ）が上昇したのである。
【００２７】
比較例３．
実施例１において、台座基板には湾曲部を設けず、緩衝材膜２の代わりに、Ｓｉ基板４２の中心に球面状の湾曲面を加工したものを用いる。なお、このＳｉ基板４２の最薄部の厚さは２００μｍで、最厚部の膜厚との違いは５０％であった。
また、上記Ｓｉ基板４２の湾曲部に薄膜化したＣＣＤを湾曲固定する接着剤として、実施例１で用いた紫外線硬化接着剤の代わりに熱硬化性接着剤を用い、ＣＣＤを湾曲固定したまま所定の温度で硬化して接着固定し、信号処理用ＬＳＩ（能動素子）２２を台座基板４の裏面に実装するように、実施例１と同様にして製造した撮像モジュールを用い、実施例２と同様にして図６に示す撮像装置を得る。
【００２８】
撮像装置の解像度の温度依存性を評価するために、実施例２、比較例１または比較例３の撮像装置を用いて、スパティアル  フリケンシィ（Ｓｐａｔｉａｌ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ：ｌｐ／ｍｍ）が６０の白黒パターンを撮像しながら、撮像装置を−２５℃から８０℃まで昇温して、モジュレーション（Ｍｏｄｕｒａｔｉｏｎ）を測定し、測定結果を表３に示す。
【００２９】
【表３】
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【００３０】
表３に示すように、実施例２の撮像モジュールでは能動素子である信号処理のＤＳＰチップを撮像素子の直下に設けているので、比較例１、３と比較して、信号伝送距離の短縮による伝送損失の低減と外部ノイズの影響を低減させることができその結果モジュレーション（Ｍｏｄｕｒａｔｉｏｎ）が上昇しているのが示される。
さらに、実施例２では能動素子の材質が撮像素子と同質であり、かつ膜厚が均一であるため、撮像素子への台座基板との熱膨張率差に起因する応力の発生を緩和することができ、モジュレーション（Ｍｏｄｕｒａｔｉｏｎ）の温度依存性が改善されたことが示される。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の実施の形態１の撮像モジュールの説明図である。
【図２】本発明の実施の形態２の撮像モジュールの製造方法を説明する工程図である。
【図３】本発明の実施の形態３の撮像装置の説明図である。
【図４】本発明の比較例の撮像装置の説明図である。
【図５】本発明の比較例の撮像装置の説明図である。
【図６】本発明の比較例の撮像装置の説明図である。
【符号の説明】
【００３２】
１  撮像素子、２  緩衝材膜（能動素子）、４  台座基板、４１  湾曲部、１１  撮像モジュール、９  レンズモジュール。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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