JP5162607B2 - カメラモジュールの組み立て方法 - Google Patents

Description

本発明は、ウェハーレベル・チップ・サイズ・パッケージ実装技術を適用した固体撮像装置と、その受光面の中心に結像させるための光学レンズとから構成される超小型のカメラモジュールの組み立て方法に関するものである。

固体撮像装置チップは、半導体基板（以下、「ウェハー」という。）上に撮像素子とマイクロレンズなどの光学素子とを形成して、これを気密封止したものであり、ビデオカメラやデジタルカメラや携帯電話用のカメラなどの映像機器の受光センサーとして利用される。

図３（ａ）は、従来のカメラモジュールに使用される代表的な固体撮像素子チップ（これを本明細書では「固体撮像素子が形成されたチップ」という。）の構造断面図の一例を模式的に示した図である。この固体撮像素子チップ１００には半導体基板Ｓの表面に受光面として機能する多数のフォトダイオード１０１が作り込まれ、各フォトダイオードに対応してマイクロレンズ１０２がカラーフィルター１０３を介して設けられている。そして、チップの周囲に設けられた多数の電極端子の一つ一つに、ワイヤーボンディング１０４を施して、これらがパッケージされる。

図３（ｂ）は、図３（ａ）に示す固体撮像素子チップ１００にレンズユニットを取り付けて完成したカメラモジュールの構造断面図の一例を模式的に示した図である。なお、同図の中央部を縦断する一点鎖線はレンズ１１６の光軸を示している。固体撮像素子チップ１００は回路基板１１０に取り付けられ、ＦＰＣＢ(Flexible Printing Circuit Board)と呼ばれるプリント配線１１１によって回路が構成され、ソケット１１２がこの回路のインターフェースとなる。

固体撮像素子チップ１００の受光面上方には赤外線遮断フィルター１１３が設けられる。両者はチップ１００と共に回路基板１１０に取り付けられたレンズバレルホルダー（レンズバレル支持体）１１４によって固定される。レンズバレルホルダー１１４とレンズバレル（レンズ保持枠）１１５にはねじ溝が設けられており、両者は螺着固定される。

この組み立て工程の際には、集光レンズ１１６の光軸（図中の一点鎖線）が固体撮像素子チップ１００の受光面の中心と一致し、かつ、受光面が光軸に対して垂直に設置されること（光軸合わせ）が求められる。

特開２００５−２８６４２２号公報 国際公開２００６／７３０８５号

しかし、ワイヤーボンディング方式を採用する従来のパッケージ構造の固体撮像素子チップ１１０はレンズバレルホルダー１１４に対してすき間が多いため、カメラモジュールの組み立ての際に光軸がずれやすく、カメラモジュールの組み立て後に光軸の位置合わせを必要とし、これが製造工程での歩留まりを低下させる要因となっている。

その理由は、ダイスボンダーによって基板上に固体撮像素子チップが装着される際に位置的なばらつきが生じやすく、これによって光軸がずれやすいためである。また、レンズバレルホルダーが基板上に装着される際にも位置的なばらつきが生じやすく、これも光軸がずれる要因の一つと考えられる。

しかも、従来よりも一層の低背化が求められるウェハーレベル・チップ・サイズ・パッケージ実装技術を適用した固体撮像装置において許容される光軸合わせの組み立て誤差が前世代のワイヤーボンディング方式等と比べて少なくとも一桁以上小さいことは、周知の事実でもある。

さらに、固体撮像素子チップの端面に多数のワイヤーボンディングが施された従来のパッケージの場合、レンズバレルホルダーは回路基板に固定されてはいるが、固体撮像素子チップとは固定されていない。このため、レンズバレルの組み立て工程の際に光軸がずれやすいという問題があった。従って、当然のことながら、外部からの衝撃にも弱かった。

また、機械的強度という意味では、特許文献２に記載されているように、公知のウェハーレベル・チップ・サイズ・パッケージ構造のチップの周囲に保護枠を設ける技術も知られているが、光学系を含めた機械的強度ではなく、あくまで固体撮像装置自体の強度を大きくする構成が開示されているにすぎない。

本発明は上記に鑑みなされたものであり、カメラモジュールの組み立ての後に光軸合わせを必要としない、新規なカメラモジュールの組み立て方法を提供することを主たる技術的課題とする。

本発明は、本願の基礎出願である特願２００６−３５１９２３における出願当初の明細書の段落［００１８］〜［００２５］（実施形態）及び［００２８］〜［００３３］（第２の変形例、その他の変形例）に記載された部分に関する技術的思想を実現するための構成を課題解決手段とするものである。

本発明に係る第１のカメラモジュールの組み立て方法は、受光面と内部を貫通して裏面側の端子に接続するための貫通電極（１５）と面一かつ前記受光面に垂直な端面（Ｔ）とを備えるウェハーレベル・チップサイズ・パッケージ構造の固体撮像素子チップ（１０）と、前記固体撮像素子チップの周囲を覆う略筒状の外枠体（２４）とを含むカメラモジュールの組み立て方法であって、
前記受光面に集光する１つ又は複数のレンズ（２６）がその周縁部で中空に水平支持及び固定されたレンズバレル（２５）を、前記外枠体の一端に螺着固定することにより、前記外枠体の他端内側の垂直壁を基準として、前記受光面の中心と前記レンズの光軸中心とが一致するように前記レンズバレルを配置する工程と、
前記垂直壁に前記垂直な端面を前記固体撮像素子チップの上端から下端まで隙間無く嵌合して前記固体撮像素子チップと前記外枠体とを前記端面全体で固定する工程とを含むことを特徴とする。

なお、本発明において、「受光面の中心」とは、フォトダイオード及びマイクロレンズから構成される矩形状の受光領域の対角中心部を指す。固体撮像素子チップには周辺回路やレジスタなどが設けられているため、受光面の中心は必ずしも固体撮像素子チップの中心にあるとは限らない。すなわち、光軸を合わせるとは、受光面の中心にレンズの光軸中心を一致させ、かつ受光面が光軸に対して垂直に固定されるように調整することに他ならない。

ウェハーレベル・チップサイズ・パッケージは１枚の半導体ウェハー上に素子と配線工程を形成したのちに個片化する実装技術であり、スクライブラインに沿って切断された四方の端面Ｔには平坦な面（本明細書ではこれを「面一の端面」という。）が現れる。

そして、本発明では、内部に貫通電極と半田ボールなどの電極端子を備えた固体撮像素子チップを前提としているため、固体撮像素子チップの「面一の端面」を光軸合わせの基準面にとることができる。その結果、固体撮像素子チップの受光面の中心は、固体撮像素子チップの面一の端面を基準として位置を特定することができ、組み立てが終了した時点で光軸合わせも終了することになる。

従って、極めて高い組み立て精度が要求されるウェハーレベル・チップサイズ・パッケージにおいても、厳密に光軸合わせ行うことが可能となり、しかも、組み立て工程後には一切光軸合わせを行う必要がない。

さらに、本発明に係る第１のカメラモジュールの組み立て方法によって組み立てられたカメラモジュールは、外枠体の一端にレンズバレルを固定し、外枠体の他端内側の垂直壁に、固体撮像素子チップの垂直な端面を固体撮像素子チップの上端から下端まで隙間無く嵌合しているため、公知のチップ・サイズ・パッケージ構造のカメラモジュールを含め従来のどのタイプのカメラモジュールよりも大きな機械的強度を確保することができる。

本発明に係る第２のカメラモジュールの組み立て方法は、受光面と内部を貫通して裏面側の端子に接続するための貫通電極（１５）と面一かつ前記受光面に垂直な端面（Ｔ）とを備えるウェハーレベル・チップサイズ・パッケージ構造の固体撮像素子チップ（１０）と、前記固体撮像素子チップの周囲を覆う略筒状の外枠体（２４）とを含むカメラモジュールの組み立て方法であって、
前記受光面に集光する１つ又は複数のレンズ（２６）を、その周縁部で中空に水平支持して前記外枠体の一端に固定することにより、前記外枠体の他端内側の垂直壁を基準として、前記受光面の中心と前記レンズの光軸中心とが一致するように前記レンズを配置する工程と、
前記垂直壁に前記垂直な端面を前記固体撮像素子チップの上端から下端まで隙間無く嵌合して前記固体撮像素子チップと前記外枠体とを前記端面全体で固定する工程とを含むことを特徴とする。

本発明に係る第１又は第２のカメラモジュールの組み立て方法における固体撮像素子チップは、受光面にマイクロレンズを具備するとと共に、マイクロレンズの上面部に、マイクロレンズよりも相対的に屈折率の低い透明材料を具備してもよい。透明材料は、内部に微細な空孔を分散して含む透明樹脂であることが好ましい。これにより、マイクロレンズの集光効果をほとんど損なわずに高感度を保つことができる。

本発明に係る第１又は第２のカメラモジュールの組み立て方法における外枠体２４（２４ａ〜２４ｃ）は遮光性のある材料で構成されることが好ましい。このようにすると、外枠体２４が固体撮像素子チップ１０の側端面を覆うように構成されているので、組み立てが完了した時点でレンズバレルレンズの周囲が完全に覆われるため、遮光性が一層高められ、光学性能が向上する。

本発明に係るカメラモジュールの組み立て方法ではカメラモジュールの組み立ての後に光軸合わせを必要とせず、光学系を含む全体的な機械的強度を確保することができる。

図１（ａ）は、本発明に係るカメラモジュールに使用される固体撮像素子チップの構造断面図を模式的に示した図である。図１（ｂ）は、この固体撮像素子チップに、レンズユニットを取り付けて完成したカメラモジュールの基本構成を示している。 図２（ａ）は、本発明の実施形態の第１の変形例を示す図である。図２（ｂ）は、本発明の実施形態の第２の変形例を示す図である。 図３（ａ）は、従来のカメラモジュールに使用される代表的な固体撮像素子チップの構造断面図の一例を模式的に示した図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）に示す固体撮像素子チップにレンズユニットを取り付けて完成したカメラモジュールの構造断面図の一例を模式的に示した図である。

（実施形態）
図１は、本発明に係る第１のカメラモジュールの構成を説明するための図であり、図１（ａ）は、本発明に係るカメラモジュールに使用される固体撮像素子チップの構造断面図を模式的に示した図である。この固体撮像素子チップ１０には半導体基板Ｓの表面に受光面として機能する多数のフォトダイオード１１が作り込まれ、各フォトダイオードに対応してマイクロレンズ１２がカラーフィルター１３を介して設けられている。

図１（ａ）より明らかなように、この固体撮像素子チップ１０は、ウェハーレベル・チップ・サイズ・パッケージ構造（特に、内部に貫通電極１５と半田ボール（ＢＧＡ又はＬＧＡ）１９を備えた３次元タイプのもので、「３Ｄ−ＣＳＰ」と呼ばれる）で構成されている。マイクロレンズ１２の上部に透明板１６が設けられ、この透明板１６は四方を囲うリブ１７によって支持されている。リブ１７は撮像素子チップ形成後に個片化するためのスクライブラインが設けられる部位であり、ウェハーの状態で全ての工程を完了した後にスクライブラインに沿ってダイシング工程を行う。リブ１７はチップ間を分離する役割を担うものであるが、個片化後には必ず面一の端面Ｔが現れることになる。（逆に、個片化後にダイシングによって得られる端面が面一でないという構造は、通常のウェハーレベル・チップサイズ・パッケージの製造工程から得られる構造としてはあり得ない。この点は極めて重要である。）

図１（ｂ）は、この固体撮像素子チップ１０にレンズユニットを取り付けて完成したカメラモジュールの基本構成を示している。外枠体２４がレンズバレル２５に螺着される構成は従来と同様であるが、外枠体２４の下部が固体撮像素子チップ１０の四方の端面Ｔに設けられた位置調整枠１８に嵌合するように設けられている。位置調整枠１８は必須のものではなく、スペーサーとして機能させるための任意的な構成である。これは、固体撮像素子チップには受光部（受光面）のみならず、周辺回路なども同一基板上に作り込まれているため、チップの回路配置によっては受光面の中心が固体撮像素子チップの中心と一致しない場合もあるためである。

位置調整枠１８が不要な場合はリブの切断面に当たる端面Ｔが直接外枠体２４と嵌合する。この意味において、位置調整枠は非対称であってもよい。また、固体撮像素子チップ１０の底部にはボール・グリッド・アレイ（ＢＧＡ）などの半田ボール１９が設けられ、カメラモジュールは回路基板２０に取り付けられる。

外枠体２４と固体撮像素子チップ１０とは接着剤によって固定される。このとき、余分な接着剤を退避させる空間として、窪み２７が設けられていてもよい。また、外枠体２４及び位置調整枠１８はいずれも遮光性のある材料で構成される。

このように、外枠体２４にカメラ全体の光軸が合うように設計された固体撮像素子チップ１０を固定する空間を設け、そこに固体撮像素子チップ１０を装填する構成を採用することにより、カメラ全体の光軸がずれにくくなる。

ウェハーレベル・チップサイズ・パッケージ構造の固体撮像素子チップに対してスクライブラインに沿って分離された矩形状のチップに四方を囲う保護枠を設けると機械的強度が増し、外部からの衝撃に対して強くなるだけでなく、側方部からの光を遮断するなどの利点があるが、本発明はさらに、その保護枠とレンズ（或いはレンズバレル）を支持するための外枠体とを一体化した構造とすることによって、レンズの光軸合わせを不要にしたところにその特徴がある。

すなわち、図３（ｂ）に示すごとく固体撮像素子チップ１００の端面に多数のワイヤーボンディングが施された従来のパッケージの場合、レンズバレルホルダー１１４は回路基板に固定されてはいるが、固体撮像素子チップ１００とは固定されていない。このため、レンズバレルの組み立て工程の際に光軸がずれやすいという問題があった。しかし、本発明に係るカメラモジュールの場合、ウェハーレベル・チップサイズ・パッケージ構造の固体撮像素子チップは外枠体２４の下部に設けられた空間にぴったりと嵌り込むため、光軸がずれるという問題が発生しない。

（第１の変形例）
図２（ａ）は、本発明の実施形態の第１の変形例を示す図であり、赤外線遮断フィルター２３がレンズバレル側に設けられた構成を示している。なお、図１と同一の機能を示す部位には同一の符号が用いられている。この構成によると、赤外線遮断フィルターを外枠体２４ａ側に設ける必要がないので構成が簡素化される。

この場合も、カメラの光軸が固体撮像素子チップ１０の位置決めをする外枠体２４ｂによって決定されるので、予め光軸合わせを行うように設計しておくことにより、組み立て工程時に光軸がずれることがない。

（第２の変形例）
図２（ｂ）は、本発明の実施形態の第２の変形例を示す図であり、レンズバレルと外枠体とが一体形成された構成を示している。なお、図１と同一の機能を示す部位には同一の符号が用いられている。従来は、レンズバレルと固体撮像素子チップとを別体に構成し、両者を螺着固定するものが一般的であったが、この実施形態では、レンズバレルが外枠体と一体成形された、いわばレンズバレルと一体化された特殊な構造の外枠体２４ｃが設けられていることが特徴である。

このように、外枠体２４ｃがレンズバレルとも一体化されているので、光軸が一層ずれにくいことはもちろんのこと、ダイスボンダー等による組み立て工程も不要となるため組み立て工程が一層簡素化される。

（その他の変形例）
本発明に係るカメラモジュールは、ウェハーレベル・チップサイズ・パッケージ構造を採用する固体撮像素子チップに適用される限りにおいて、特にその内部構造は限定されない。例えば、上記実施形態（変形例を含む）に示す固体撮像素子チップの構造は、いずれもマイクロレンズ１２の上面部に透明板１６が設けられたものである（図１（ａ）参照）。このリブ１７によって四方を囲まれた透明板とマイクロレンズの空間は、空気（屈折率＝１）で満たされているが、リブ１２及び透明板１６で空隙を設ける代わりに、マイクロレンズよりも相対的に屈折率が低い透明材料によってその空隙が充填されるように構成されていてもよい。特に、近年は屈折率の値が例えば２を超えるような、高屈折率材料でマイクロレンズを形成すると充填される透明材料の選択範囲が一層広がり、屈折率のより高い材料でも使用可能になる。

透明材料はマイクロレンズよりも低屈折率の材料が選択される。具体的には、例えば、内部に微細な空孔を分散して含む熱硬化性の透明樹脂やＵＶ硬化性の透明樹脂を用いることが好ましい。これには、通常のスピンコート法で厚さ数μｍに保って、ウェハー（個片化前のウェハー）全面でほぼ均一になるように塗布形成し、比較的低温の熱硬化処理により空孔が膨張したまま硬化することで、実質的に屈折率が理論上は１．０乃至１．５未満（実際には屈折率１．１乃至１．４程度）の範囲の均質な透明樹脂を形成することができる。この低屈折率樹脂を用いると、マイクロレンズの集光効果をほとんど損なわずに高感度を保つことができる。

さらに、低屈折率透明材料として実用的には、受光面上を覆う二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）或いはマイクロレンズの材料の屈折率より低い屈折率の、例えば高集積度半導体集積回路装置（ＬＳＩ）で利用される多層配線の層間絶縁膜のような、より低誘電率の低密度誘電体或いは高分子化合物などの粘性体で透光性のものが利用できることはもちろんであり、加えて、この低屈折率透明材料上に硬質透明樹脂などによる保護層を備える場合でも、各層間の屈折率差による光学特性損失は無視できる程度の微小なものである。

その他、適用可能な透明材料としては、二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）、ポーラスシリカ膜、有機無機ハイブリッド膜、高分子化合物などの透光性低密度誘電体膜であって、マイクロレンズよりも相対的に低屈折率のものであることが必要である。

また、必要に応じて表面に赤外線遮断膜を積層形成することも可能である。その場合、図１（ｂ）、図２（ａ）及び（ｂ）に示す赤外線遮断フィルター２３は不要となる。

このように、装填すべき固体撮像素子チップ１０は、チップ完成後にダイシングによって個片化されるウェハーレベル・チップサイズ・パッケージ構造のもの（但し四方の端面が面一のもの）であれば、特に限定されるものではない。

ウェハーレベル・チップ・サイズ・パッケージ実装技術を適用した固体撮像装置を組み込んだ超小型のカメラモジュールは、カメラ機能付きの携帯電話など多くの機器に適用されるものであり、本発明は、その組み立て工程における光軸ずれを効果的に抑制することができる技術として、産業上の利用可能性は極めて大きい。

１０ 固体撮像素子チップ
１２ マイクロレンズ
１５ 貫通電極
１８ 位置調整枠
２０ 回路基板
２４ 外枠体
２５ レンズバレル

Claims (7)

1. 受光面と内部を貫通して裏面側の端子に接続するための貫通電極（１５）と面一かつ前記受光面に垂直な端面（Ｔ）とを備えるウェハーレベル・チップサイズ・パッケージ構造の固体撮像素子チップ（１０）と、
   前記固体撮像素子チップの周囲を覆う略筒状の外枠体（２４）とを含むカメラモジュールの組み立て方法であって、
   前記受光面に集光する１つ又は複数のレンズ（２６）がその周縁部で中空に水平支持及び固定されたレンズバレル（２５）を、前記外枠体の一端に螺着固定することにより、前記外枠体の他端内側の垂直壁を基準として、前記受光面の中心と前記レンズの光軸中心とが一致するように前記レンズバレルを配置する工程と、
   前記垂直壁に前記垂直な端面を前記固体撮像素子チップの上端から下端まで隙間無く嵌合して前記固体撮像素子チップと前記外枠体とを前記端面全体で固定する工程とを含むことを特徴とするカメラモジュールの組み立て方法。
2. 受光面と内部を貫通して裏面側の端子に接続するための貫通電極（１５）と面一かつ前記受光面に垂直な端面（Ｔ）とを備えるウェハーレベル・チップサイズ・パッケージ構造の固体撮像素子チップ（１０）と、
   前記固体撮像素子チップの周囲を覆う略筒状の外枠体（２４）とを含むカメラモジュールの組み立て方法であって、
   前記受光面に集光する１つ又は複数のレンズ（２６）を、前記外枠体の一端にその周縁部で中空に水平支持して固定することにより、前記外枠体の他端内側の垂直壁を基準として、前記受光面の中心と前記レンズの光軸中心とが一致するように前記レンズを配置する工程と、
   前記垂直壁に前記垂直な端面を前記固体撮像素子チップの上端から下端まで隙間無く嵌合して前記固体撮像素子チップと前記外枠体とを前記端面全体で固定する工程とを含むことを特徴とするカメラモジュールの組み立て方法。
3. 前記固体撮像素子チップは、
   前記受光面にマイクロレンズ（１２）を具備するとと共に、
   前記マイクロレンズの上面部に前記マイクロレンズよりも相対的に屈折率の低い透明材料を具備することを特徴とする請求項１又は２記載のカメラモジュールの組み立て方法。
4. 前記透明材料は、内部に微細な空孔を分散して含む透明樹脂であることを特徴とする請求項３記載のカメラモジュールの組み立て方法。
5. 前記外枠体は、遮光性のある材料で構成されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のカメラモジュールの組み立て方法。
6. 受光面と内部を貫通して裏面側の端子に接続するための貫通電極（１５）と面一かつ前記受光面に垂直な端面（Ｔ）とを備えるウェハーレベル・チップサイズ・パッケージ構造の固体撮像素子チップ（１０）と、
   前記固体撮像素子チップの周囲を覆う略筒状の外枠体（２４）とを嵌合してなるカメラモジュールであって、
   前記受光面に集光する１つ又は複数のレンズ（２６）がその周縁部で中空に水平支持及び固定されたレンズバレル（２５）が、前記外枠体の一端に螺着固定され、
   前記外枠体の他端内側の垂直壁を基準として前記受光面の中心と前記レンズの光軸中心とが一致するように前記レンズバレルが配置され、
   前記垂直壁に前記垂直な端面が前記固体撮像素子チップの上端から下端まで隙間無く嵌合して前記固体撮像素子チップと前記外枠体とを前記端面全体で固定されていることを特徴とするカメラモジュール。
7. 受光面と内部を貫通して半田ボールなどの裏面側の端子に接続するための貫通電極（１５）と面一かつ前記受光面に垂直な端面（Ｔ）とを備えるウェハーレベル・チップサイズ・パッケージ構造の固体撮像素子チップ（１０）と、
   前記固体撮像素子チップの周囲を覆う略筒状の外枠体（２４）とを嵌合してなるカメラモジュールであって、
   前記受光面に集光する１つ又は複数のレンズ（２６）が前記外枠体内の一端にその周縁部で中空に水平支持されつつ固定され、
   前記外枠体の他端内側の垂直壁を基準として前記受光面の中心と前記レンズの光軸中心とが一致するように前記レンズが配置され、
   前記垂直壁に前記垂直な端面が前記固体撮像素子チップの上端から下端まで隙間無く嵌合して前記固体撮像素子チップと前記外枠体とを前記端面全体で固定されていることを特徴とするカメラモジュール。

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