JP2005341522A - カメラモジュール及びそれを用いた車載用カメラ装置並びにそれらの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】環境変化、温度変化に対して優れた信頼性を確保するカメラモジュール及びそれを用いた車載用カメラ装置並びにそれらの製造方法を提供する。
【解決手段】半田２３を内包するように樹脂接着剤１５でメイン基板４及びサブ基板５の双方を接合するとともに、サブ基板５表面の撮像素子１４が収容される領域と対応する実装領域１４ａに、メイン基板４に接合した複数の実装バンプ２４が接合されていることを特徴とするカメラモジュールである。
【選択図】図２

Description

本発明は車両に搭載して車両の前方・側方・後方などの画像を撮像して処理を行うカメラモジュールを搭載した車載用カメラ装置に関し、特に厳しい環境変化に対応したカメラモジュール及びそれを用いた車載用カメラ装置並びにそれらの製造方法に関する。

従来より、車両に搭載されたカメラ装置にて、前方の画像、例えば、道路上の白線を撮像し、安全に車両が白線を逸脱せず走行させるシステムや、後方又は側方の死角をフロントディスプレイに表示し、車両の周囲映像を運転者に知らせるシステムは広く知られている。

その車両に搭載されるカメラ装置としては、光学レンズから入射する光をＣＣＤやＣＭＯＳといった光半導体からなる撮像素子に結像させる結像部と、それを電気制御する電気回路部で構成されるカメラモジュールと、カメラモジュールへカメラの露出、シャッタースピード等の制御信号を発するとともに、カメラモジュールから出てくる電気信号を画像信号に変換し、その信号を直接センシングする信号制御装置とで構成され、信号制御装置は自動車の走行の制御を行うＥＣＵ（エレクトロニック・コントロール・ユニット）と兼ねた構造となっているのが常である。

以下、従来のカメラモジュールの具体的な構造について図１を用いて説明する。

図１に示すように、カメラモジュールは結像部１００及び信号処理部２００とから構成されている。結像部１００は、主に、光学レンズ１ａを収容してなるレンズ鏡枠１と、レンズ鏡枠１を固定保持するためのレンズホルダ２とからなる。信号処理部２００は、主に、光学レンズ１ａから入射する光を結像する撮像素子１４が表面に収納されるサブ基板５と、サブ基板５を搭載するとともに撮像素子１４に入射する光を制御するための電気回路２１ａが形成されるメイン基板４とからなり、サブ基板５の撮像素子１４とメイン基板４の電気回路２１ａとが例えば半田により電気的に接続してなる。

撮像素子１４に収容されるサブ基板５は、例えば、セラミックからなるパッケージ（筐体）で構成され、そのキャビティ内に撮像素子１４が実装され、その開口をガラスのキャップ１５で閉鎖してキャビティを封止している。そして、光学レンズ１ａにより結合した像は、キャップ１５を通り、サブ基板３に収容した撮像素子１４に結像される。外部との電気信号の授受には、撮像素子１４からの信号がサブ基板１３の外部へ取り出され、サブ基板の底面の外周に形成した電極パッド（不図示）を介してメイン基板４の電気回路２１ａと接続されている。

サブ基板５は、不図示であるが樹脂間に電気配線が内装された基板からなり、その基板上に半田実装により撮像素子１４が接続固定される。撮像素子１４が実装されたサブ基板５もメイン基板４に実装され、このメイン基板４は、光学レンズ１ａが実装されるレンズホルダ２内に位置決め固定される。メイン基板４には信号制御装置との信号の授受を行うジャンパ線６が接続されており、この接続によりカメラモジュールとして機能することが可能となる。

ここで、通常、撮像素子１４を収容するサブ基板５においては、前述した樹脂と金属リードフレームで形成された樹脂パッケージと、セラミック基体中に内層の電気配線を形成し、外部電極として金属リードを形成したセラミック多層リード型パッケージがもちいられている（特許文献１）。
特開２００１−３１９９３９号公報

近年、撮像素子１４の高解像化、すなわちピクセル数が増大化され、素子自体の大口径化が進んでおり、必然的に撮像素子１４を収容するサブ基板５においても大型化されている。

しかしながら、車両に搭載されるカメラモジュールにおいては、視界の妨げとならないよう小型化が必要不可欠のため、撮像素子１４を収容するサブ基板１３も小型化する必要がある。また、これまでカメラモジュールを搭載する車両は比較的高級車とよばれる一部の車両に限ってあったが、多くの車両に搭載され、利用されることでより安全な車両走行を可能とするためにも、カメラモジュールを安価に提供する事が必要である。

さらに、車両に搭載されるカメラにおいては、その重要性からも、車両がおかれるいかなる環境下においても確実に機能する必要があり、特に環境変化、特に温度変化や振動に対して優れた信頼性を確保しなければいけないといった課題があった。

特にカメラモジュールにおいては、車室外たとえば、後方監視であれば車両後部バンパー近傍、側方監視であればドアミラー下部、前方であれば車両前方バンパー近傍等の直接外気にさらされる場所であり、厳しい温度下に曝され、しかも振動が激しい場所、また、車室内であってもフロントガラス近傍の直射日光があたり、比較的高温になりやすい場所等、環境・温度変化が著しく過多なところに配置されるのが常であり、温度の面や振動の面等で高い信頼性が必要である。

また、光半導体である撮像素子は、環境変化、温度変化に対して特性劣化を生じやすいデバイスであるため、堅牢なサブ基板５に収容する必要がある。この課題に関しては、撮像素子１４をセラミックパッケージに収容することにより、長期信頼性を確保することを可能としたが、従来のセラミック多層型リードパッケージでは、金属リードが底部のみに形成されており、大型で、また、その構造及び作製上非常に高価なものとなってしまう。

また、小型・低価格化を考慮して、リードを取り外した構造のリードレスセラミック多層パッケージからなるサブ基板５も考えられるが、樹脂が積層されたメイン基板４に半田実装固定すると、セラミックからなるサブ基板５と樹脂からなるメイン基板４の熱膨張差により接続部である半田実装部に大きな応力がかかり、特に環境温度変化に対して信頼性が低下し、半田が疲労破壊してしまい、撮像素子１４上に正確に光が結像しなくなり、カメラとしての機能を果たさないばかりか、誤作動により、車両を安全に航行することが不可能となり、最悪大事故につながり多くの人命を危機にいたらしめるといった深刻な問題が生じてしまう。

一方、サブ基板５を樹脂性とすると、その特性上、高温高湿環境に耐久性が乏しく、永年にわたり、撮像特性を満足することは困難であり、車両搭載用途としてあまり用いられていない。

本発明は以上の問題に鑑みなされたもので、サブ基板を小型化したとしても、振動、温度変化等の環境変化が生じたとしても撮像素子に正確に結像して、永年にわたり、誤作動を防止することができ、安定して実装をなす信頼性の高いカメラモジュール及びそれを用いた車載用カメラ装置を提供することを目的とする。

上述の課題を解決するために、本発明のカメラモジュールは、光学レンズを収容してなるレンズ鏡枠と、レンズ鏡枠を固定保持するためのレンズホルダと、前記光学レンズからの光を結像する撮像素子が表面に収納されるサブ基板と、該サブ基板を搭載するとともに前記撮像素子を制御するための電気回路が形成されるメイン基板とからなり、前記サブ基板の裏面外周に前記撮像素子と導通した複数の電極パッドを形成するとともに、該電極パッドと前記メイン基板の電気回路とを半田を介して接続してなるカメラモジュールにおいて、前記半田を内包するように樹脂接着剤で前記メイン基板及びサブ基板の双方を接合するとともに、前記サブ基板の裏面に、前記メイン基板に接合した複数の実装バンプが接合されていることを特徴とする。

また、前記サブ基板表面の撮像素子が収容される領域と対応するサブ基板の裏面の領域外周（以下、「実装領域」という）に、前記実装バンプが接合されているものであっても良い。

この場合、前記撮像素子は平面が四角形状の短冊状に形成されたものであり、前記実装領域の４隅部に前記実装バンプが接合されていると良い。また、前記電極パッドを前記サブ基板底面及び該底面と隣接する側面に形成するとともに、前記半田を前記サブ基板の底面及び側面に形成すると良く、さらに、前記樹脂接着剤を前記サブ基板の底面及び該底面の側面に形成してもよい。

また、前記メイン基板のサブ基板と対向する領域の中心付近に、空気を逃がすための貫通孔を複数形成してもよい。このように、上記領域に、空気を逃がすための貫通孔を形成することにより、ボイドを発生させることなく樹脂接着剤を充填することができる。

また、前記サブ基板は底面が四角形状の短冊状に形成されたものであり、前記電極パッドが前記底面の４辺に形成されているものでもよい。さらに、前記サブ基板は底面が四角形状の筐体を用いたものがよい。

この場合、樹脂接着剤は熱膨張係数がメイン基板とサブ基板よりも高いものを用いるのがよい。

また、本発明の車載カメラ装置は、上記カメラモジュールと、該カメラモジュールを制御するとともに、該カメラモジュールからの信号を制御する信号制御装置とを有したことを特徴とする。

また、上記カメラモジュール及びこれを含む車載カメラ装置に係る実装方法は、
撮像素子が表面に収納されたサブ基板と、前記撮像素子を制御するための電気回路が形成されるメイン基板とを実装する方法であって、
前記メイン基板のサブ基板と対向する領域の中心付近に、空気抜き用貫通孔を複数設ける貫通孔穿設工程と、
前記サブ基板と前記メイン基板の間の領域に接着剤を充填する接着剤充填工程とを有することを特徴とする。ここで、前記の空気抜き用貫通孔の孔径を、０．３ｍｍ〜３．０ｍｍとすることが好ましい。また、上記貫通孔２６の孔径を、０．５ｍｍ〜３．０ｍｍとすることがより好ましく、１．０ｍｍ〜３．０ｍｍとすることが更に好ましい。
さらに、上記実装方法に加重して、前記貫通孔穿設工程と接着剤充填工程との間に、前記サブ基板の裏面に複数の実装バンプを形成する工程と、前記実装バンプが前記メイン基板の電極パッドと接触するように、前記サブ基板を前記メイン基板に接合する工程とを含んでいてもよい。

本発明によれば、環境変化が生じた場合であっても、メイン基板とサブ基板との接合する半田に集中する応力が、メイン基板及びサブ基板の双方を接合した樹脂接着剤とそれに内包された半田と複数の実装バンプのそれぞれに分散されるために、振動や温度変化による応力集中でクラックが生じることを有効に防止することができるとともに、実装バンプはサブ基板裏面、特に実装領域に接合しているので、撮像素子の接合に際してはスペーサの役割をして安定性が良くなり、振動やサブ基板とメイン基板との熱膨張係数の差で双方が変形したとしても、撮像素子の接合位置が変動することを有効に防止することができる。従って、撮像素子を収容するサブ基板とメイン基板との実装信頼性を向上することが可能となり、永年にわたり安定した実装及び動作を保証することが可能となる。

以下、図面を用いて本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、従来技術と同じ構成のものは、図及び図番も同じものを用いるものとする。

図１は、本発明の実施の形態を説明するための車載用カメラ装置の分解斜視図、図２は、本発明のカメラモジュールのレンズ鏡枠を除く部分断面図、図３はメイン基板とサブ基板の実装を説明するための模式図、図４はメイン基板にサブ基板を実装した状態を示す断面図である。

以下、本発明のカメラモジュールの具体的な構造について図１を用いて説明する。

図１に示すように、カメラモジュールは、結像部１００及び信号処理部２００とから構成されている。

結像部１００は、光学レンズ１ａを収容してなるレンズ鏡枠１と、レンズ鏡枠１を固定保持するためのレンズホルダ２とからなる。

レンズ鏡枠１内の光学レンズ１ａはガラスやプラスティックからなり、その光学レンズ１ａが焦点距離、明るさ、画角を満足するようにアルミニウムからなる鏡枠内に収容して配置されている。図示はしていないが、光学レンズ１ａ間には、規定の厚み、口径をもつレンズ環を配置させることにより規定の間隔を保持することができレンズ性能を維持させている。また、光学レンズ１ａ間に絞りを設置し、用途に合わせて絞り設定を変えることで用途にあわせたレンズ鏡枠１とすることが可能となる。

レンズホルダ２はレンズ鏡枠１を挿入固定するための固定枠２ａが形成され、固定枠の側面に後述するネジ１２により安定した固定を行う固定部１２０が形成されたものである。

信号処理部２００は、主に、光学レンズ１ａから入射する光を結像する撮像素子１４が表面に収納されるサブ基板５と、サブ基板５を搭載するとともに撮像素子１４に入射する光を制御するための電気回路２１ａが形成されるメイン基板４とからなる。

メイン基板４はアルミニウムもしくは、ＳＵＳ合金を主原料としたプレート３に位置決めピン８を介して位置決めされＳＵＳ合金からなる固定ネジ９により固定されており、プレート３はレンズホルダ２に固定される。なお、固定ネジ９は、規定のネジトルク、即ち、締結トルクを０．０３±０．００５Ｎ・ｍとすることで温度変化・環境変化でもネジ緩みのない安定した締結が可能となる。

メイン基板４は、ガラス粒子が含有されたエポキシ樹脂と金属を多層構造としたプリント配線板であり、その表面には、図３に示すようにサブ基板５を実装固定のみ行う複数の実装パッド２２とサブ基板２１との電気接続を行う複数の電極パッド２１及びそれに接続された電気回路２１ａが形成されている。電極パッド２１はサブ基板５の周囲を取り巻くように形成されており、これにより、サブ基板５の撮像素子１４とメイン基板４の電気回路２１ａとが後述する半田により電気的に接続される。また、この全電極パッド２１、２１・・・に半田が接合されることで、サブ基板５の接合力をアップさせることが可能である。さらに、電極パッド２２上には予め複数の半田層が精密に印刷されて積層された実装バンプ２４が形成されており、後述する実装パッド２０に接合される。

なお、メイン基板４には、信号制御部との信号の授受を行うジャンパ線６が接続されており、この接続によってカメラモジュールとして機能することが可能となる。

電極パッド２１、実装パッド２４は、電気伝導度に優れ、低温での金属接合による接合耐久性に優れる理由から銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）とし、表面には、金（Ａｕ）のメッキを施すことにより、イオンマイグレーションを防止することが可能となりより良い。

特に、実装パッド２２は、複数の電極パッド２１で取り巻く領域内で、後述するサブ基板５が実装された際の電極パッド２２に対面する位置に形成されている。サブ基板５は、例えば、後述のセラミックからなるパッケージ（筐体）で構成され、そのキャビティ内に撮像素子１４が実装され、その開口をガラスのキャップ１５で閉鎖してキャビティを封止している。

このように、サブ基板５は筐体で構成したものでも良いが、これに限定されず、短冊状に形成されたものでも構わない。この場合には短冊状の表面に撮像素子１４が形成され、裏面に実装パッド２０が形成されることはいうまでもない。

サブ基板５を構成するセラミックスとしては、アルミナ、ジルコニア、窒化珪素、炭化珪素、窒化アルミニウムを主成分とするセラミックスにより構成すれば良い。これらのセラミックスは破壊靭性が高いために熱応力に対して変形を有効に防止することができる。サブ基板５の材料として好ましくは、破壊靭性、ヤング率とも優れたジルコニアが好ましいが、高価であり、内層電気配線の作製に難があるため、安価でヤング率が高く、破壊靭性も充分対応できる材料としてアルミナセラミックスを用いるのが特に好ましい。この場合、アルミナセラミックスが９９．５質量％以上で、見掛密度が３．９０×１０^３ｋｇ／ｍ^３以上である高純度アルミナを用いることにより、撮像素子１４自体に熱が発生した場合であっても、熱伝導率が高く外部に容易に放熱させることが可能であるため撮像素子１４やその他の電子部品に対しても熱膨張係数の差による影響を及ぼすことがなく長期にわたり使用することが可能である。

なお、これらのセラミックスを製作するには、例えば、アルミナセラミックスの場合、主原料のＡｌ_２Ｏ_３に対しＳｉＯ_２、ＭｇＯ、ＣａＯ等のうち１種以上の焼結助剤を添加して筐体状の成形体を作製した後、１６００〜１７５０℃の温度で焼成すれば良く、例えば、ジルコニアセラミックスについては主原料のＺｒＯ_２に対しＹ_２Ｏ_３、ＣａＯ、ＭｇＯ、ＣｅＯ_２等のうち少なくとも１種以上の安定化剤を添加して１１００〜１４００℃の温度で焼成すれば良い。

サブ基板５の構造としては、図３、図４に示すように、キャビティの段部に形成した電気配線１７、それと連通し、内部から側面かけて露出した電極パッド１８、それと連通し、側面と隣接する底面の周囲に形成された電極パッド１９とから構成された多層配線構造となっている。また、ＣＭＯＳからなる撮像素子１４がサブ基板５のキャビティ内に半田や導電性接着剤（不図示）で接合した後、撮像素子１４の底面に形成された不図示の電極と、サブ基板５の内部配線１７の一部とでＡｕ又はＡｌワイヤ１６でワイヤボンディングにより電気接続される。なお、電極パッド１８、１９の材質としては電極パッド２１、実装パッド２４と同じ材料が用いられる。

また、プレート３とレンズホルダ２との結合において、サブ基板５とレンズホルダ２との間にインシュレータ７を介することで、迷光を防止するとともに防塵が可能となる。なお、インシュレータ７の材質として、圧縮性のあるウレタンゴムやポリウレタン発砲体で構成し、押しつぶし取り付けることにより、温度変化により結像部１００と信号処理部２００との熱膨張差により隙間ができても防塵効果は保たれてよい。

また、カメラモジュールにおいては、車室内、フロントガラス近傍に搭載されることも配慮すると、サブ基板５のキャップ１５の上面に偏光フィルタ１３を取り付けることにより、フロンガラスへ移りこむ車室内の明光を抑制することが可能となり、外部からの映像のみを確実に撮像することが可能となる。なお、この偏光フィルタ１３の作用については本明細書では説明を省略する。

サブ基板５の開口部を閉鎖するキャップ１５は、透明性の高いガラス窓と、外部からの湿度の浸入がないように低融点ガラスや、半田、透湿性の少ないエポキシやアクリルからなる樹脂接着剤で固定され外部から封止されている。

ここで、図４に示すように電極パッド１８、１９とメイン基板４の電極パッド２１と導通した電気回路が半田２３を介して電気的に接続されるが、本発明の特徴としては、半田２３を内包するように樹脂接着剤１５でメイン基板４及びサブ基板５の双方を接合しており、さらに、サブ基板５裏面の撮像素子１４が収容されている実装領域１４ａに、メイン基板４に接合した複数の実装バンプ２４がサブ基板５の実装パッド２０とメイン基板４の実装パッド２２とに接合されているものである。

このような構成により、環境変化が生じた場合であっても、メイン基板４とサブ基板５との接合する半田２３に集中する応力が、メイン基板４及びサブ基板５の双方を接合した樹脂接着剤１５とそれに内包された半田２３と複数の実装バンプ２４のそれぞれに分散されるために、振動や温度変化により応力集中でクラック生じるのを有効に防止することができるとともに、実装バンプ２４はサブ基板５の裏面の実装領域１４ａに接合しているので、撮像素子１４の接合に際してはスペーサの役割をして安定性が良くなり、振動やサブ基板５とメイン基板４との熱膨張係数の差で双方が変形したとしても、撮像素子１４の接合位置が変動することを有効に防止することができる。従って、光学レンズ１ａから結像した像が常に一定の撮像素子１４の位置に照射可能であり、それを外れて誤作動を起こすことがない。

特に好ましくは、半田２３及び樹脂接着剤１５が図４に示すように表面とサブ基板５の側面及び底面の双方を接合することで底面のみに接合する半田２３に比べて集中する応力を緩和させることが可能である。また、撮像素子１４は平面が四角形状の短冊状に形成されたものを用いる場合、実装領域１４ａの４隅部に実装バンプ２４が接合されると更に熱応力による安定性を得ることができる。また、サブ基板４は底面に形成した電極パッドが底面の４辺に形成されて、それらの周囲を半田２３で接合することにより、より大きく熱膨張係数を緩和させることが可能となる。

樹脂接着剤１５は、ヤング率が５ＧＰａ以上１５ＧＰａ以下であって、熱膨張係数が２０ｐｐｍ以上４０ｐｐｍ以下の範囲となるのが好ましい。これにより個々のカメラモジュールの信頼性についてばらつきの小さいカメラモジュールを提供することが可能となり、車両搭載後も永年にわたり、信頼性を確保することが可能となり、車両を安全に航行させる補助装置としての機能を永年にわたり果たすことが可能となる。

ここで用いられる樹脂接着剤１５としては、エポキシ樹脂を主成分として、二酸化珪素を２０〜８０％が含有されることにより、熱膨張係数を、ガラス粒子が含有されたエポキシ樹脂からなるメイン基板とアルミナからなるサブ基板よりも高くすることができ、これにより、反りを緩和することができる。また、二酸化珪素の含有によりエポキシ樹脂単体よりヤング率を強化することができるので、強化接着剤とすることができ、車載用として利用する場合には信頼性の点で利点がある。

次に本発明の信号処理部２００の製造方法について説明する。

まず、サブ基板５を形成する。サブ基板５はセラミック多層配線基板作製プロセスに従い形成する。即ち、グリーンシート表面上に内装する電気配線を印刷形成し、各々貼り合わせ複数の層構造とし、その後、同時焼成して、個片にカッティングして形成する。メイン基板４は、ガラス粒子が含有されたエポキシ樹脂からなる基板の表面に、金属内部配線を多層構造としたプリント配線板を形成して製造される。

次に、本発明のカメラモジュールでは、メイン基板の両面に電子回路を形成する。

まず、メイン基板４のサブ基板３が搭載されない面に、半田を印刷形成する。その後、半田上に電気回路部品を、電気部品実装装置（チップマウンター）により搭載し、半田リフロー炉を通し、半田を溶融し電気回路部品を実装固定する。

次に、サブ基板３が搭載される面に、半田を印刷形成する。その後、同様に、半田上にサブ基板３、電気回路部品をチップマウンターにて搭載し、半田リフロー炉を通すことで、半田を溶融し、サブ基板及び電気回路部品が実装固定される。その際、裏面にあたる予め実装固定された電気回路部品は、リフロー炉で半田は溶融するが、半田の表面張力に支えられ落下することはなく、再度実装固定される。

次に、外部への電気信号の取り出しのために電気端子をメイン基板に、スポットビームによる半田接合により実装固定することで信号処理部２００が形成される。

本発明によるカメラモジュールでは、上述したメイン基板５とサブ基板４との熱膨張差で生じる半田２３への応力や振動を緩和するための補強手段として、サブ基板４の底面に実装固定するための実装パッド２０を形成し、その実装パッド２０とメイン基板４上に形成された実装パッド２２との間に実装バンプ２４を形成しているが、この実装バンプ２４はメイン基板４とサブ基板５との間の平行度を高めるように形成するのが好ましい。例えば、クリーム半田を半田マスクにより半田量を均一に供給、管理して印刷形成した後、熱処理で接合して実装バンプ２４を形成するのがよい。これにより、メイン基板４とサブ基板５との間隔を大きく、かつ、均一に形成することが可能となり、安定して撮像素子１４に像を結像させることができる。

次に本発明のカメラモジュールの組立て方法について説明する。

まず、図１に示すように光学レンズ１ａ、レンズ鏡枠１、レンズホルダ２、プレート３、サブ基板５、メイン基板４を用意する。

本発明のカメラモジュールの組立てについては、レンズホルダ２に、レンズ１、サブ基板３が実装固定されたメイン基板４を位置あわせ固定することで成る。

その際、レンズ１で投影される像を正確にサブ基板内の撮像素子に結像させることが重要であり、予めメイン基板４を平面度の優れたプレート３に固定装着し、プレート３を水平・垂直方向に位置あわせすることで撮像素子への結像を容易にしている。

位置あわせは、信号処理部に通電し、ＴＶ解像チャートをレンズで投影し、撮像素子上に投影し、最適な投影位置（一般に光軸位置とよぶ）が得られる位置にプレート３を水平・垂直方向に位置合わせすることで光軸位置合わせを行い、さらに最適な解像度が得られる位置になるようにレンズ１を撮像素子に対して前後に移動することにより解像度合わせを行う。

最適な光軸位置合わせ、解像度合わせが完了したら、プレート固定ネジ１０ａ〜ｄとワッシャ１１ａ〜ｄでプレート３をレンズホルダ２に０．８±０．２Ｎ・ｍの締結トルクで締結することにより光軸位置合わせが、またレンズ鏡枠固定ネジ１２を０．０５±０．００２Ｎ・ｍの締結トルクで締結することにより、温度変化・環境変化においてもネジ緩みしない安定した固定が可能となる。

なお、図示していないがサブ基板４には、電気制御回路として制御クロック発生のためのオシレータや抵抗、コンデンサ、インダクタ等の各種電子部品、また、カメラモジュールの温度を監視するためのサーミスタ等で構成されており、小型化の為、表面実装型のチップ部品で構成され、表・裏面ともに実装配置された構造とすればよい。

図１のカメラモジュールを以下のように製造した。

まず、サブ基板を作製した。まず、本実験によるサブ基板５を、セラミック多層配線基板作製プロセスに従い形成した。

具体的には、３枚のグリーンシートを用意し、1枚目となる最下層下面には、メイン基板に実装するための実装パッド２０、電気的接続をとるための電極パッド１９を金属電極下地材となるタングステンで印刷形成した。２枚目の中間層上面には、撮像素子（ＣＭＯＳ）１４との電気接続を行う電極１７がサブ基板側方面へ取り出されるよう同じく金属電極下地材となるタングステンを配線パターンとなるよう印刷形成し、さらに、ＣＭＯＳ１４を搭載するキャビティの段構造とするため中央部をカッティングした。３枚目の最上層は、２枚目と同様にキャビティ側壁となる形状にカッティングし、各々３枚のグリーンシートを貼り合わせた。その後、最上面より外周部となり、中間層、最下層にわたり側壁電極１８を形成するための貫通ビアホールをピンにて形成した。その貫通ビアホール内側壁には中間層および下層側壁部にわたり電極となるタングステンを塗布充填して焼成した。

焼成温度は、１６００〜１７５０℃の温度範囲で行った。

その後、半田接合の作業性を向上させるため、タングステン上にＮｉ−Ａｕのメッキを施し、外周ビアホール間でカッティングし、個片化しサブ基板を形成した。

上記の作製方法で作製した結果、１４ｍｍ×１４ｍｍ×厚み１．６５ｍｍのセラミック多層配線基板となり、側壁及び下層面には１辺に０．５ｍｍ幅×１ｍｍ長さの下層電極パッドをピッチ１ｍｍ間隔に１２個配置させ、周囲に総計４８個の電極パッド１９が配置された。各々の電極パッド１９は側壁の電極１８に連通し、中間層表面の電極１７に接続されており、中間層表面にも４８個の電極パッドを配置形成した。また、最下層面には、中心より３ｍｍ×３ｍｍの位置にφ２．５ｍｍの実装パッド２０を４個配置形成した。

なお、１５０ｍｍ角のグリーンシートで１００個の個片が作製できた。

ＣＭＯＳ１４の実装は、サブ基板５のキャビティ内実装領域１４ａにＡｇペースト接着剤により固定実装した。その後、中間層表面電極１７とＣＭＯＳ１４上の電極間をφ２５μｍのＡｕワイヤにてワイヤボンディングした。さらに、上層側壁最表面に紫外線にて硬化性のあるアクリル樹脂接着剤を周囲隙間なく塗布し、１４ｍｍ×１４ｍｍ厚み０．８ｍｍのガラス板を貼り付け、紫外線照射により接着剤を硬化し、ＣＭＯＳ１４が実装搭載されたサブ基板５が完成した。

メイン基板４は、ガラス粒子が含有されたエポキシ樹脂と、内部及び上・下面に６層のＣｕの金属配線がパターン形成された最大外形寸法３７ｍｍ×２６ｍｍ×厚み1ｍｍのＰＣＢ基板を作製した。上面には、サブ基板４を実装するための実装パッド２２を、φ２．６ｍｍ、間隔６ｍｍで配置形成し、サブ基板５の外周電極部１９と接続するための電極パターン２１を形成配置させた。電極パターン２１は０．６ｍｍ幅×長さ２ｍｍで、１ｍｍピッチで形成した。なお、サブ基板の実装パッド、電極パッド幅をメイン基板より０．１ｍｍ大きくしたのは、半田接合形状をメニスカス構造とすることができ、応力緩和となり信頼性が向上するためである。

メイン基板４への電気回路の取り付けは、半田リフロープロセスで行った。半田はメタルマスクを用いるスクリーン印刷法で、メタルマスクをメイン基板５に被せ、開いている部分（開口）に、Ｓｎ：６０（重量％）、Ｐｂ：４０（重量％）のクリーム半田を充填塗布し行う。メタルマスクは予め、メイン基板の半田形成部に合致する部分が開口されている。

まず、サブ基板が搭載されない面（便宜上、以下裏面と表現し、サブ基板が搭載する面を表面と表現する）を上面として、半田を印刷する。半田量の管理は、メタルマスクのマスク開口率と厚みで管理を行うことが最良であり、本実験では、メタルマスクの開口率１００％、厚み１８０μｍとした。

印刷終了後、電気回路部品をチップマウンターにて搭載配置し、その後、半田リフロー炉に基板を通し、半田を溶融し固着する。リフロー炉の温度条件としては、１５０度で１２０秒のプリヒート後、２２０度６０秒で溶融させた。１５０度でプリヒートを行うのは、アルコール系溶剤を蒸発させるためである。その後冷却し固定実装された。

次に、表面に上記裏面と同様にペースト半田にてメタルマスクにてスクリーン印刷し、サブ基板５と電気回路部品をチップマウンターにて搭載配置し、再びリフロー炉を通し、半田を溶融固着、冷却し、サブ基板５及び電気回路部品が実装固定された。その際、裏面の予め実装固定された電気回路部品は、リフロー炉で半田は溶融するが、半田の表面張力に支えられ落下することはなく実装固定されていた。

次に、サブ基板５とメイン基板の電気接合部である半田を抱合するように、エポキシ樹脂接着剤を充填塗布した。エポキシ樹脂接着剤には、二酸化珪素を５５％含有しており、サブ基板５とメイン基板４の熱膨張差を緩和することが可能となる。樹脂塗布後、１２０度３０分の熱処理を行い、エポキシ樹脂を完全硬化した。硬化後の特性としては、曲げ弾性率８ＧＰａ、熱膨張係数４０ｐｐｍのものを選択した。

サブ基板５は、ヤング率は３１０ＧＰａ、熱膨張係数は７．１ｐｐｍ、メイン基板４は、ヤング率 ４０ＧＰa、熱膨張係数 ９ｐｐｍである。

樹脂接着剤のヤング率を、サブ基板５とメイン基板４より小さくすることで、熱変化が生じた場合に、樹脂接着剤がサブ基板５とメイン基板４に応力を与えずに熱膨張係数を大きくしたことにより基板をたわます力が働き、樹脂接着剤が無い場合には、半田のみにかかる熱応力を樹脂接着剤に分散することができ、結果として、半田にかかる応力緩和となる。

本実験では、ここまでの工程において、メイン基板４を８つの基板が１シートとなるように作製しており、サブ基板及び電気回路部品実装工程、リフロー工程、エポキシ樹脂塗布・硬化工程において、すべてシート単位で処理を行い、その後、個々の基板に基板分割装置で分割した。

個々に分割された基板は、外部への電気信号の取り出しのための電気端子６をメイン基板４に、スポットビームによる半田接合により実装固定することで信号処理部２００を形成した。スポットビームによる半田接合は、周囲に配置される、サブ基板５や電気回路部品に熱を加えることがなくよい。

次に本実験のカメラモジュールの組立て方法について説明する。

まず、Ｆナンバー１．８になるように配置された６群６枚の光学レンズが、最大外形φ１６ｍｍ長さ１８ｍｍのレンズ鏡枠１に搭載実装し、外形形状４０ｍｍ×２８ｍｍ高さ１８ｍｍレンズホルダ２、３７ｍｍ×２４ｍｍのアルミニウムに黒アルマイト処理したプレート３、上記サブ基板５、上記信号処理部２００を用意した。

次に、信号処理部２００をプレート３へ取り付けた。

プレート３にφ１．８ｍｍ長さ４ｍｍ位置決めのピン８を圧入プレスし固定した。予め信号処理部２００のメイン基板４にはこの位置決めピン８の取り付けの為のφ１．８５ｍｍの貫通穴が形成されており、メイン基板４は、この位置決めピン８で位置決めされ、予め形成されたφ２ｍｍの貫通穴をＳＵＳ合金のネジ９で固定した。

その後、偏光フィルタ１３をサブ基板５のガラスキャップ２５上にＵＶ硬化接着剤にて硬化実装した。実験で使用した偏光フィルタ１３は、片面に染料系樹脂型が粘着材で張り合わせてあり、染料系樹脂側をサブ基板５のガラスキャップ２５上にＵＶ接着剤で固定装着した。染料系樹脂型の偏光フィルタは、湿度に対し耐性が少なく、アクリル系にＵＶ接着剤で上記染料系樹脂部を覆いつくすことで、染料樹脂部への透湿を防ぐことができる。

プレート３に固定された信号処理部２００をレンズホルダ２に固定する。

偏光フィルタ上面とレンズホルダ２間には、中央に□１０ｍｍの開口のある、□１２ｍｍ厚み１．８ｍｍのポリウレタン発砲体からなるインシュレータ７を配置した。

レンズ鏡枠１と、プレート３に固定された信号処理部２００の位置合わせは、信号処理部２００に電気端子より通電を行い、撮像素子（ＣＭＯＳ）１４を実際に駆動しながら電気端子より出力される映像信号をＴＶ画面で観察しながら、コントラスト比で規定される解像度で４０％以上、中心光軸位置で±１度以内となる位置に、位置合わせし、ＳＵＳ合金からなるネジ１０でプレート３を固定し、同じく、レンズ鏡枠固定ネジ１２でレンズ鏡枠を固定した。なお、ネジ１０の締結トルクは、０．８Ｎ・ｍ、ネジ１２の締結トルクは０．０５Ｎ・ｍで実施した。

比較例として、サブ基板とメイン基板との間に実装バンプを形成しないカメラモジュールを用意して、本発明と比較例のいずれのカメラモジュールも−３０度から８５度の繰り返し環境温度を変化させることにより半田接合の寿命について実験を行った。

この場合、比較例の実装バンプを形成しないカメラモジュールのメイン基板とサブ基板との実装間隔は０．０２５ｍｍ程度であった。また、この比較例のカメラモジュールと、本発明の実装バンプの高さを異ならせることでメイン基板とサブ基板との実装間隔が異なった複数のカメラモジュールを−３０度から８５度の環境下で繰り返し温度変化を行い、実装バンプの有無、実装バンプの高さの違いにより半田接合の寿命がどの様に変化するかについて実験を行った結果を図５に示す。ここで、寿命比とは、実装バンプを持たない従来のカメラモジュールにおいて、撮像素子が安定して作動しなくなる時、具体的には、画像出力が正規のクロック周波数間隔で出力されず正規の画像として表示できない場合、また、画像出力に突発的なノイズの発生、また画像フリーズ等の異常動作が発生した時点の繰り返し温度変化の累積サイクル数をカメラモジュールの寿命１として、累積サイクル数がその２倍になった時点を寿命２になった定義する。上記異常動作のカメラモジュールの原因究明を実施したところ、半田接合部が破断するモードの故障が生じていた。

この実験により、実装バンプを持たない比較例のカメラモジュールに対して、実装バンプにより実装間隔を０．７５ｍｍより大きく形成した本発明のカメラモジュールが４倍以上の長寿命化が図れることが理解できる。

次に、サブ基板とメイン基板の双方に樹脂接着剤で接合した本発明に対して、樹脂接着剤を用いない比較例のカメラモジュールを作製した。この場合、双方とも実装バンプによりメイン基板とサブ基板との実装間隔が０．０７５ｍｍのカメラモジュールで実験をおこなった。本実験においても上述と同様の寿命比による−３０度から８５度の環境下で繰り返し温度変化を変化させ、樹脂接着剤の有無により半田接合の寿命がどの様に変化するかについて実験を行った。

この実験により、樹脂接着剤を持たない比較例のカメラモジュールに対して、樹脂接着剤を有した本発明のカメラモジュールの寿命が５倍に向上した。

従って、上述の実験からメイン基板及びサブ基板の双方を接合した樹脂接着剤とそれに内包された半田と複数の実装バンプのそれぞれで応力を分散されるために、振動や温度変化による応力集中でクラックが生じなかったものと考えられる。

なお、実装バンプについては、金属材料であるため、長期にわたり安定しており、本発明の樹脂接着剤についても、二酸化珪素を多く含有し、物理的にも安定であるため、長期にわたり安定した実装を行うことができる。

次に、樹脂接着剤の充填方法の最も好ましい実施の形態について説明する。上述の通り、サブ基板とメイン基板の間にバンプを形成しそれらの間に接着剤樹脂を注入すると、実装信頼性を向上することが可能となる。これは、電極パッド間の半田だけでなく、サブ基板とメイン基板との間に充填され硬化された接着剤樹脂にも応力を分散することができるからである。しかし、この場合、空気の逃げ道がないため、ボイドを含まないように接着剤樹脂を充填することは難しい。そこで、好ましい実施の形態において、メイン基板の一部に、空気を逃がすことができる貫通孔を設ける。

すなわち、この好ましい実施の形態に係る充填方法において、図７及び図８に示すような、貫通孔を有するメイン基板を用いる。図７に示されたメイン基板は、サブ基板と対向する領域の中央付近に複数の貫通孔が設けられている。これにより、この貫通孔２６が空気の逃げ道となり、接着剤樹脂１５が充填されやすくなる。さらにボイドの発生を抑えることができる。従来のようにメイン基板に貫通孔を設けない場合は、接着剤樹脂塗布用ディスポーザのノズルを、メイン基板５のサブ基板４と対向する領域の外周に対して半周程度しか回転させていなかった。これは、上記のように当該領域のメイン基板に貫通孔を設けない場合にノズルを略一周させると、このノズルにより充填された当該接着剤樹脂により空気が包囲され、当該領域の中央部分に空気が溜まってしまうためである。しかし、上記のように当該領域の中央付近に複数の貫通孔を設けることにより、ディスポーザのノズルを当該領域外周に対して略一周回転させたとしても、接着剤樹脂により包囲された空気が上記貫通孔から逃げ、当該領域の中央部分に空気が溜まることがない。また、ディスポーザのノズルを１周させた方が塗布される接着剤樹脂の量が多いので、短時間で接着剤の充填を行うことができる。

さらに、図８に示すように、充填開始地点２７より充填終了地点２８の方に貫通孔を多く設けることが好ましい。ここで、充填開始地点２７とは、メイン基板５のサブ基板４と対向する領域外周付近の、接着剤樹脂１５の挿入を開始する地点をいう。また、充填終了地点２８とは、その外周付近の、接着剤樹脂１５の挿入を終了する地点をいう。

メイン基板４に設ける貫通孔２６は、如何なる形状のもの（例えば、円柱の少なくとも一方の端部に、この円柱の半径より大きい半径を有する円錐を備える形状のもの）であってもよい。しかし、好ましくは円柱状である。これは、作製が容易であるためである。貫通孔２６の形状が円柱状である場合、この貫通孔２６の孔径は、０．３ｍｍ〜３．０ｍｍであることが好ましい。より好ましくは、貫通孔２６の孔径は、０．５ｍｍ〜３．０ｍｍであり、更に好ましくは１．０ｍｍ〜３．０ｍｍである。

貫通孔２６の内表面及び／又はメイン基板４のサブ基板５と対向する領域の内表面に、接着剤樹脂１５の注入を容易にすることができる物質を塗布してもよい。このような物質として、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、エポキシ変性フェノール樹脂、及びシリコン樹脂が挙げられるが、好ましくはエポキシ樹脂である。

孔径の大きさとの関係で、接着剤樹脂の粘度を選択する。粘度は、接着剤樹脂が貫通孔２６から少しはみ出してもよいが流れ出ないような粘度に設定することが好ましい。具体的には、接着剤樹脂１５の粘度は、１Ｐ・ｓ〜２０Ｐ・ｓであることが好ましい。貫通孔２６の孔径が０．３ｍｍ〜３．０ｍｍの場合、最適な粘度は１Ｐ・ｓ〜２０Ｐ・ｓであり、貫通孔２６の孔径が１．０ｍｍ〜３．０ｍｍの場合、最適な粘度は６Ｐ・ｓ〜１２Ｐ・ｓである。

接着剤樹脂１５を充填するに際し、メイン基板４に設けた貫通孔１５の下方に吸引手段を取付けてもよい。この場合、メイン基板５の下面から、充填した接着剤樹脂１５をこの手段により吸引する。これにより、充填時間を短縮することができる。また、ボイドの発生を効果的に防止できる。この貫通孔一つに対して一つの吸引手段を用いても良いし、複数の貫通孔に対して一つの吸引手段を用いてもよい。

上記の実装工程でボイドが発生した場合、付加的にボイドに超音波振動を与えることによりボイドを除去してもよい。また、ボイド内と外気との間に圧力差を与えることによりボイドを除去してもよい。さらに真空脱泡若しくはボイドの加熱によりボイドを除去してもよい。

本発明の車載用カメラ装置の分解斜視図である。 本発明のカメラモジュールのレンズ鏡枠を除く部分断面図である。 メイン基板とサブ基板の実装を説明するための模式図である。 メイン基板にサブ基板を実装した状態を示す断面図である。 メイン基板とサブ基板の実装間隔と半田の寿命比との関係を説明する図である。 接着剤有無での半田の寿命比の関係を示す図である。 サブ基板と対向する領域の中央付近に複数の貫通孔を設けたメイン基板の模式図である。 サブ基板と対向する領域の外周付近の接着剤充填終了地点に複数の貫通孔を設けたメイン基板の模式図である。

符号の説明

１：レンズ鏡枠
２：レンズホルダ
３：プレート
４：メイン基板
５：サブ基板
６：外部配線ジャンパ
７：インシュレータ
１３：偏光フィルタ
１４：撮像素子
１５：樹脂接着剤
２０：実装パッド
２４：実装バンプ
２２：実装パッド
２６：貫通孔
２７：接着剤充填開始地点
２８：接着剤充填終了地点

Claims (13)

1. 光学レンズを収容してなるレンズ鏡枠と、レンズ鏡枠を固定保持するためのレンズホルダと、前記光学レンズからの光を結像する撮像素子が表面に収納されるサブ基板と、該サブ基板を搭載するとともに前記撮像素子を制御するための電気回路が形成されるメイン基板とからなり、前記サブ基板の裏面外周に前記撮像素子と導通した複数の電極パッドを形成するとともに、該電極パッドと前記メイン基板の電気回路とを半田を介して接続してなるカメラモジュールにおいて、
   前記半田を内包するように樹脂接着剤で前記メイン基板及びサブ基板の双方を接合するとともに、前記サブ基板の裏面に、前記メイン基板に接合した複数の実装バンプが接合されていることを特徴とするカメラモジュール。
2. 前記サブ基板表面の撮像素子が収容される領域と対応するサブ基板の裏面の領域外周（以下、「実装領域」という）に、前記実装バンプが接合されていることを特徴とする請求項１に記載のカメラモジュール。
3. 前記撮像素子は平面が四角形状の短冊状に形成されたものであり、前記実装領域の４隅部に前記実装バンプが接合されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のカメラモジュール。
4. 前記電極パッドを前記サブ基板底面及び該底面と隣接する側面に形成するとともに、前記半田が前記サブ基板の底面及び側面に形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のカメラモジュール。
5. 前記樹脂接着剤が前記サブ基板の底面及び該底面の側面に形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のカメラモジュール。
6. 前記メイン基板のサブ基板と対向する領域の中心付近に、空気を逃がすための貫通孔が複数形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のカメラモジュール。
7. 前記サブ基板は底面が四角形状の短冊状に形成されたものであり、前記電極パッドが前記底面の４辺に形成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のカメラモジュール。
8. 前記サブ基板は底面が四角形状の筐体を用いたことを特徴とする請求項７に記載のカメラモジュール。
9. 前記樹脂接着剤は熱膨張係数がメイン基板とサブ基板よりも高いものを用いることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載のカメラモジュール。
10. 請求項１〜９のいずれかに記載のカメラモジュールと、該カメラモジュールを制御するとともに、該カメラモジュールからの信号を制御する信号制御装置とを有した車載カメラ装置。
11. 撮像素子が表面に収納されたサブ基板と、前記撮像素子を制御するための電気回路が形成されるメイン基板とを実装する方法であって、
    前記メイン基板のサブ基板と対向する領域の中心付近に、空気抜き用貫通孔を複数設ける貫通孔穿設工程と、
    前記サブ基板と前記メイン基板の間の領域に接着剤を充填する接着剤充填工程とを有する実装方法。
12. 前記の空気抜き用貫通孔の孔径が、０．３ｍｍ〜３．０ｍｍであることを特徴とする請求項１１に記載の実装方法。
13. さらに、前記貫通孔穿設工程と接着剤充填工程との間に、
    前記サブ基板の裏面に複数の実装バンプを形成する工程と、
    前記実装バンプが前記メイン基板の電極パッドと接触するように、前記サブ基板を前記メイン基板に接合する工程とを含むことを特徴とする請求項１１又は１２に記載の実装方法。
    

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