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WO2016207941A1 - 内視鏡用撮像装置 - Google Patents

内視鏡用撮像装置 Download PDF

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WO2016207941A1
WO2016207941A1 PCT/JP2015/067850 JP2015067850W WO2016207941A1 WO 2016207941 A1 WO2016207941 A1 WO 2016207941A1 JP 2015067850 W JP2015067850 W JP 2015067850W WO 2016207941 A1 WO2016207941 A1 WO 2016207941A1
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WO
WIPO (PCT)
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imaging device
imaging
endoscope
light receiving
back surface
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/JP2015/067850
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English (en)
French (fr)
Inventor
純平 米山
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Olympus Corp
Original Assignee
Olympus Corp
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Filing date
Publication date
Application filed by Olympus Corp filed Critical Olympus Corp
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Priority to PCT/JP2015/067850 priority patent/WO2016207941A1/ja
Publication of WO2016207941A1 publication Critical patent/WO2016207941A1/ja
Priority to US15/817,941 priority patent/US10484581B2/en
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Ceased legal-status Critical Current

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    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04NPICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N23/00Cameras or camera modules comprising electronic image sensors; Control thereof
    • H04N23/50Constructional details
    • H04N23/54Mounting of pick-up tubes, electronic image sensors, deviation or focusing coils
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B1/00Instruments for performing medical examinations of the interior of cavities or tubes of the body by visual or photographical inspection, e.g. endoscopes; Illuminating arrangements therefor
    • A61B1/04Instruments for performing medical examinations of the interior of cavities or tubes of the body by visual or photographical inspection, e.g. endoscopes; Illuminating arrangements therefor combined with photographic or television appliances
    • A61B1/05Instruments for performing medical examinations of the interior of cavities or tubes of the body by visual or photographical inspection, e.g. endoscopes; Illuminating arrangements therefor combined with photographic or television appliances characterised by the image sensor, e.g. camera, being in the distal end portion
    • A61B1/051Details of CCD assembly
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B1/00Instruments for performing medical examinations of the interior of cavities or tubes of the body by visual or photographical inspection, e.g. endoscopes; Illuminating arrangements therefor
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    • A61B1/00064Constructional details of the endoscope body
    • A61B1/0011Manufacturing of endoscope parts
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    • A61B1/044Instruments for performing medical examinations of the interior of cavities or tubes of the body by visual or photographical inspection, e.g. endoscopes; Illuminating arrangements therefor combined with photographic or television appliances for absorption imaging
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    • G02B23/24Instruments or systems for viewing the inside of hollow bodies, e.g. fibrescopes
    • G02B23/2476Non-optical details, e.g. housings, mountings, supports
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    • H04NPICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N23/00Cameras or camera modules comprising electronic image sensors; Control thereof
    • H04N23/50Constructional details
    • H04N23/555Constructional details for picking-up images in sites, inaccessible due to their dimensions or hazardous conditions, e.g. endoscopes or borescopes

Definitions

  • the present invention relates to an endoscope imaging apparatus comprising: an imaging element having an external electrode on a light receiving surface; and a wiring board having an end electrode ultrasonically bonded to the external electrode.
  • An electronic endoscope having an image pickup apparatus having an image pickup element such as a CMOS light receiving element at a distal end portion of an insertion portion is widespread.
  • a medical endoscope performs observation of a region to be examined by inserting a flexible elongated insertion portion having an imaging device built into a distal end thereof into a body cavity of a subject such as a patient.
  • the image sensor transmits and receives electrical signals through external electrodes joined to the end electrodes of the wiring board.
  • the bonding reliability between the external electrode of the image sensor and the end electrode of the wiring board is one of the major factors in the reliability of the endoscope.
  • the image sensor may be deteriorated by high-temperature processing such as solder bonding.
  • ultrasonic bonding capable of strong bonding at low temperature is used for bonding the external electrode and the end electrode.
  • various slip prevention mechanisms such as a vacuum suction mechanism and a side clamp may be added to the receiving jig.
  • Japanese Unexamined Patent Publication No. 10-289916 discloses a semiconductor device in which a heat sink is ultrasonically bonded to a die pad of a lead frame. An anti-slip groove group is formed on the surface of the receiving jig on which the die pad is placed in order to increase the coefficient of friction.
  • the bottom surface has a minute size of about 1.0 mm ⁇ 1.5 mm.
  • An object of the present invention is to provide an image pickup apparatus with high bonding reliability between an external electrode of an image pickup element and a flying lead of a wiring board.
  • An imaging device for an endoscope includes an imaging device in which external electrodes are arranged at the end of a light receiving surface, and a wiring board having an end electrode that is ultrasonically bonded to the external electrode.
  • a plurality of grooves are formed on the back surface of the imaging element facing the light receiving surface, and the plurality of grooves are formed of ultrasonic waves when ultrasonic bonding is performed. Inclined with respect to the vibration direction.
  • an endoscope imaging apparatus with high bonding reliability between the external electrode of the imaging element and the flying lead of the wiring board.
  • FIG. 1 is an external view of an endoscope system including an imaging device according to an embodiment. It is a perspective view of the imaging device of an embodiment. It is a top view of the imaging device of an embodiment. It is a bottom view of the imaging device of an embodiment.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view taken along the line VV of FIG. 3 of the imaging apparatus of the embodiment.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of the imaging apparatus according to the embodiment, taken along line IV-IV in FIG. 3.
  • It is a perspective view for demonstrating the manufacturing method of the imaging device of embodiment. It is a flowchart for demonstrating the manufacturing method of the imaging device of embodiment. It is a schematic diagram for demonstrating an infeed type grinding machine.
  • An endoscope system 1 including an endoscope 2 having an endoscope imaging device (hereinafter also referred to as “imaging device”) 10 according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
  • the endoscope system 1 includes an endoscope 2, a processor 5A, a light source device 5B, and a monitor 5C.
  • the endoscope 2 captures an in-vivo image of the subject and outputs an imaging signal by inserting the elongated insertion portion 3 into the body cavity of the subject.
  • the operation unit 4 includes a treatment instrument insertion port 4A of a channel 3H (see FIG. 2) through which treatment instruments such as a biological forceps, an electric knife, and an inspection probe are inserted into the body cavity of the subject.
  • the insertion portion 3 includes a distal end portion 3A where the imaging device 10 is disposed, a bendable bending portion 3B continuously provided on the proximal end side of the distal end portion 3A, and a proximal end side of the bending portion 3B. And the flexible tube portion 3C.
  • the bending portion 3 ⁇ / b> B is bent by the operation of the operation unit 4.
  • a signal cable 75 connected to the imaging device 10 at the distal end 3A is inserted through the universal cord 4B disposed on the proximal end side of the operation unit 4.
  • the universal cord 4B is connected to the processor 5A and the light source device 5B via the connector 4C.
  • the processor 5A controls the entire endoscope system 1 and performs signal processing on the imaging signal output from the imaging device 10 to output it as an image signal.
  • the monitor 5C displays the image signal output from the processor 5A.
  • the light source device 5B has, for example, a white LED.
  • the light emitted from the light source device 5B is guided to the distal end portion 3A via the universal cord 4B and a light guide (not shown) that passes through the insertion portion 3, and illuminates the subject.
  • the endoscope imaging apparatus 10 includes an imaging element 20 and a wiring board 30.
  • a light receiving portion 21 and a plurality of external electrodes 22 electrically connected to the light receiving portion 21 are formed.
  • the imaging element 20 has a light receiving surface 20SA and a back surface 20SB facing the light receiving surface 20SA.
  • the plurality of external electrodes 22 are arranged in parallel at the end of the light receiving surface 20SA of the image sensor 20 in parallel with the minor axis direction (Y direction). Each external electrode 22 is provided with a bump 23.
  • the imaging device 20 disposed at the distal end portion 3A of the endoscope 2 has, for example, a length (X-axis direction) of 1.5 mm, a width (Y-axis direction) of 1 mm, and a thickness in order to minimize invasiveness. (Z-axis direction) is as small as 0.3 mm.
  • a plurality of flying leads 31 protrude from the end face of the wiring board 30.
  • the flying lead 31 as an end electrode is made of a conductor wiring from which the insulating substrate of the wiring board 30 is selectively removed.
  • the flying lead 31 is called an outer lead in the lead frame.
  • the tip of the flying lead 31 is ultrasonically bonded to the external electrode 22 via the bump 23. For this reason, the bumps 23 are crushed in a direction parallel to the vibration direction of ultrasonic waves during ultrasonic bonding, and a large number of stripes (ultrasonic traces) parallel to the vibration direction are formed on the upper surface of the tip of the flying lead 31. Is formed.
  • the plurality of flying leads 31 and the plurality of external electrodes 22 are simultaneously ultrasonically bonded.
  • the vibration direction of the ultrasonic waves is the direction in which the bumps 23 are arranged (Y direction: short axis method). For this reason, the direction in which the bumps 23 are crushed and the direction of the ultrasonic marks are parallel to the direction in which the bumps 23 are arranged.
  • a plurality of substantially linear grooves 20 ⁇ / b> T are formed on the back surface 20 ⁇ / b> SB of the image sensor 20.
  • the plurality of grooves 20 ⁇ / b> T are saw marks (grinding marks) formed in the wafer processing process for manufacturing the image sensor 20.
  • the groove formed by the wafer processing process can form a fine shape with high accuracy.
  • the direction of the plurality of grooves 20 ⁇ / b> T is inclined so as to be substantially orthogonal to the ultrasonic vibration direction (Y direction), that is, the arrangement direction of the bumps 23.
  • the plurality of grooves 20T are strictly arc-shaped, but are substantially orthogonal to the arrangement direction of the bumps 23 in the entire area of the back surface 20SB. That is, the plurality of grooves 20T have an inclination angle ⁇ with respect to the arrangement direction of the bumps 23 (short axis direction: Y direction), for example, not less than 80 degrees and not more than 100 degrees.
  • the imaging element 20 has a plurality of grooves 20T that are substantially orthogonal to the ultrasonic vibration direction (Y direction) on the back surface 20SB. For this reason, the imaging element 20 placed on the receiving jig (anvil) 40 does not slide and vibrate on the receiving jig 40 due to the vibration V even when ultrasonic waves are applied (see FIG. 14). ).
  • the imaging apparatus 10 has high bonding reliability between the bumps 23 of the imaging element 20 and the flying leads 31 of the wiring board 30.
  • Step S10 Imaging Wafer Fabrication>
  • the light receiving unit 21 is a CCD (Charge Coupled Device), a CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor), or the like.
  • a semiconductor circuit such as a signal processing circuit as well as the light receiving unit 21 may be formed on the silicon wafer.
  • the thickness of the 300 mm ⁇ silicon wafer is, for example, 775 ⁇ m.
  • Step S11 Cutting>
  • the imaging element 20 is very small with an outer dimension of the bottom surface of, for example, 1 mm ⁇ 1.5 mm, that is, a bottom area of 1.5 mm 2 .
  • the first main surface of the silicon wafer on which the light receiving unit 21 is formed becomes the light receiving surface 20SA of the imaging element 20 when cut.
  • the imaging element 20 is as thick as 775 ⁇ m, for example. In order to reduce the diameter of the insertion portion 3, the imaging element 20 is processed to have a thickness of, for example, 20 ⁇ m to 150 ⁇ m.
  • the second main surface (equivalent to the back surface 20SB) is ground for thinning the imaging element 20.
  • An example of the grinding machine 80 is shown in FIG.
  • the in-feed type grinding machine 80 includes a holding plate 81 on which the image sensor 20 that is a workpiece is placed, and a grinding machine 82 that grinds the image sensor 20 placed on the holding plate 81.
  • the grinder 82 is provided with a plurality of grindstones including diamond abrasive grains, for example.
  • the image sensor 20 is fixed to the holding plate 81 with a protective tape or the like.
  • the grinding machine 80 is a centerless type in which the rotation axis O1 of the holding plate 81 and the rotation axis O1 of the grinding plate 82 do not coincide with each other.
  • radial saw marks are formed on a plurality of workpieces arranged on the holding plate 81 as shown in FIG.
  • the plurality of image pickup elements 20 are arranged on the holding plate 81 so that the arrangement direction of the bumps 23 is orthogonal to the direction in which saw marks are formed. Be placed. That is, in the conventional method for manufacturing an imaging apparatus, grinding is performed in a state of a semiconductor substrate (silicon wafer) including a plurality of imaging elements. On the other hand, in the manufacturing method of the imaging device 10 according to the embodiment, the silicon wafer is cut into the imaging element 20 before the back surface grinding step, and grinding is performed in the state of the imaging element 20. In other words, the plurality of image sensors 20 are rearranged on the holding plate 81 in an arrangement different from the arrangement on the semiconductor substrate.
  • the imaging element 20 has a surface roughness Rz (JIS B 060: 10-point average roughness, measurement length 0.2 mm) in a direction orthogonal to the direction of the saw mark (groove) on the back surface 20SB of 0.5 ⁇ m or more and 10 ⁇ m or less. Thus, it is ground from the back side.
  • the surface roughness Rz is more preferably 1 ⁇ m or more and 5 ⁇ m or less.
  • the surface roughness Rmax (JIS B 060: maximum height, measurement length 0.2 mm) is preferably 1 ⁇ m or more and 30 ⁇ m or less.
  • the surface roughness is not less than the above range, the anti-slip effect is remarkable, and the bonding reliability between the image sensor 20 and the wiring board 30 is high. If the surface roughness is not more than the above range, cracks may occur in the image sensor 20. There is no.
  • the plurality of imaging elements 20 ground simultaneously are formed with a plurality of grooves 20T that are inclined so as to be substantially orthogonal to the minor axis direction.
  • the surface roughness is within the above range and the inclination angle ⁇ with respect to the arrangement direction of the bumps 23 of the plurality of grooves 20T is more than 45 degrees and less than 135 degrees, there is a particularly anti-slip effect.
  • the inclination angle ⁇ is preferably 60 degrees or more and 120 degrees or less, and more preferably 80 degrees or more and 100 degrees or less. Strictly speaking, the groove 20T that is a saw mark is a curved line, but in the imaging device 20, the inclination angle ⁇ is within the above-mentioned range in all regions of the back surface 20SB.
  • the workpiece 20CS including a plurality of imaging devices 20 may be cut, the workpiece 20CS may be ground, and then separated into the imaging devices 20.
  • the workpieces 20CS are arranged on the holding plate 81 so that the direction of the plurality of grooves 20T (saw marks) formed on the back surface 20SB of all the image pickup devices 20 included is a predetermined direction, that is, a direction inclined with respect to the minor axis direction. Is done.
  • the workpiece 20CS is separated into individual image sensors 20 after the back surface grinding. Grinding with the workpiece 20CS is easy to place on the holding plate 81.
  • the wiring board 30 has, for example, an insulating resin such as polyimide as a base, and has conductor wiring, for example, copper wiring.
  • the insulating resin at the end is selectively removed, so that the copper wiring protruding from the tip becomes the flying lead 31.
  • the spacing between the flying leads 31 and the spacing between the external electrodes 22 (bumps 23) of the image sensor 20 are set to be the same.
  • the ultrasonic bonding apparatus 60 includes a receiving jig (anvil) 40 that is a fixed stage and an indenter tool (horn) 50 that vibrates ultrasonically.
  • the indenter tool 50 is mechanically coupled to an ultrasonic transducer (not shown) and vibrates at, for example, 40 kHz and an amplitude of 2 ⁇ m in the V direction.
  • the receiving jig 40 is provided with side clamps 41 and 42 for fixing both side surfaces of the image sensor 20 in order to define and hold the position of the image sensor 20.
  • a hole H40 for vacuum-sucking and fixing the back surface 20SB of the image sensor 20 is formed in the front surface (mounting surface) 40SA on which the image sensor 20 of the receiving jig 40 is mounted. Note that the side clamp and the suction hole are not essential components of the receiving jig 40.
  • the receiving jig 40 is made of metal, ceramic, resin, or the like.
  • the image sensor 20 is placed on the receiving jig 40.
  • the tips of the plurality of flying leads 31 of the wiring board 30 are arranged immediately above the plurality of external electrodes 22 (bumps 23) of the image sensor 20, and ultrasonic waves are applied while being pressed by the indenter tool 50 at the same time.
  • the oxide film and dirt at the interface between the flying lead 31 and the bump 23 are removed by the ultrasonic vibration, and a strong attractive force works and a metallurgical bond is generated by bringing the crystal grains close to each other until the interatomic distance is reached.
  • the bump 23 is crushed along the ultrasonic wave application direction (Y direction), and streaks (ultrasonic marks) are cut in the ultrasonic wave application direction at the tip of the flying lead 31 that has been in contact with the indenter tool 50.
  • the image sensor slips when ultrasonic waves are applied only by fixing by the side clamps 41 and 42 and vacuum adsorption, and it is not easy to ensure the bonding reliability. There was no fear.
  • the image pickup element 20 since the image pickup element 20 has a non-slip effect on the groove (saw mark) 20T formed on the back surface 20SB, it is possible to obtain high bonding reliability.
  • the groove 20T has an anti-slip effect unless it is inclined with respect to the ultrasonic wave application direction, in other words, in a direction parallel to the ultrasonic wave application direction.
  • the groove 20T is inclined with respect to the ultrasonic wave application direction as described above, but the inclination angle is preferably more than 45 degrees, and substantially orthogonal, that is, 80 degrees or more. It is particularly preferred that it is inclined.
  • the grooves 20T are not limited to saw marks formed by grinding for thinning.
  • a groove having a predetermined specification for further exhibiting the anti-slip effect may be formed by grinding or etching.
  • the groove 20T has a remarkable effect particularly when an ultra-small image sensor having a bottom area of 4 mm 2 or less is ultrasonically bonded to the wiring board.
  • the ultrasonic wave application direction was parallel to the arrangement direction (Y direction) of the external electrodes 22.
  • the groove 20T is formed in parallel to the X direction orthogonal to the Y direction.
  • the ultrasonic wave application direction is the X direction orthogonal to the arrangement direction (Y direction) of the external electrodes 22
  • the groove 20T is formed in parallel to the Y direction orthogonal to the X direction. Needless to say.
  • ⁇ Modification 1> In the image pickup apparatus 10A of Modification 1, the image pickup element 20A is thinned using a through field (creep feed) type processing machine as a grinding processing machine.
  • the saw mark 80TA in the direction shown in FIG. 15 is formed on the image sensor placed on the holding plate 81D.
  • the plurality of image pickup devices 20A are rearranged on the holding plate 81A so that the directions of saw marks to be formed are in the same predetermined direction.
  • the imaging apparatus 10A can obtain high bonding reliability because the direction of the groove of the imaging element 20A is substantially orthogonal to the minor axis direction (the ultrasonic wave application direction).
  • the present invention is not limited to the in-feed processing machine, and a through-field processing machine or the like may be used as long as the saw mark can be processed so as to be substantially orthogonal to the minor axis direction by rearranging the image sensor.
  • ⁇ Modification 2> In the imaging device 20B of the imaging device 10B of Modification 2 shown in FIG. 17, the saw mark 20TB is inclined with respect to the ultrasonic wave application direction (Y direction). And the inclination
  • the imaging device 10B can obtain high bonding reliability.
  • the saw mark 20TC is substantially elliptical. For this reason, the saw mark 20TC has a region whose inclination angle is 45 degrees or less with respect to the ultrasonic wave application direction (Y direction). However, the saw mark 20TC has an anti-slip effect because there is a region (region indicated by hatching) that is inclined more than 45 degrees with respect to the ultrasonic wave application direction (Y direction).
  • the saw mark 20TD has a circular arc radially extending from the center.
  • the saw mark 20TE has a straight line extending radially from the center.
  • the saw marks 20TD and 20TE have a region with an inclination angle of 45 degrees or less with respect to the ultrasonic wave application direction (Y direction). However, 20TD and 20TE have an anti-slip effect because there is an area (area indicated by hatching) that is inclined more than 45 degrees with respect to the ultrasonic wave application direction (Y direction).
  • the saw marks 20TF are substantially on a straight line, but each saw mark 20TF is random.
  • the saw mark 20TF also has a portion whose inclination angle is 45 degrees or less with respect to the ultrasonic wave application direction (Y direction). However, the saw mark 20TF has an anti-slip effect because there is a portion that is inclined more than 45 degrees with respect to the ultrasonic wave application direction (Y direction).
  • ⁇ Modification 7> In the imaging device 20G of the imaging device 10G of Modification 7 shown in FIG. 22, there are randomly minute uneven patterns 20TG on the back surface 40SB.
  • the concavo-convex pattern TG is an etching mark, for example, but can be regarded as a minute groove.
  • the pattern 20TG includes a portion whose inclination angle is 45 degrees or less with respect to the ultrasonic wave application direction (Y direction). However, since the pattern 20TG has a portion that is inclined more than 45 degrees with respect to the ultrasonic wave application direction (Y direction), it has an anti-slip effect.
  • the region where the saw mark is inclined more than 45 degrees with respect to the ultrasonic wave application direction (Y direction) is part of the back surface 20SB.
  • a saw mark inclined more than 45 degrees is formed in a region of 25% or more of the area of the back surface 20SB in order to achieve an anti-slip effect.
  • the ultrasonic bonding apparatus 60H used in the manufacturing method of the imaging apparatus 10H of the modification 8 shown in FIG. 23 is different from the ultrasonic bonding apparatus 60 of the embodiment in the receiving jig 40H.
  • a plurality of grooves 40TH in the direction orthogonal to the ultrasonic vibration direction are formed on the surface 40SA of the receiving jig 40H.
  • surface roughness Rz40 of surface 40SA is substantially the same as surface roughness Rz20 of back surface 20SB of the image pick-up element 20, for example, 0.5 micrometer or more and 10 micrometers or less.
  • the surface roughness Rz20 of the groove 20TH and the surface roughness Rz40 of the groove 40TH are substantially the same, for example, ⁇ 20%, which is particularly preferable in order to fit them together. The effect is obtained.
  • the surface roughness Rz20 of the imaging element 20 is 2 ⁇ m
  • the surface roughness Rz40 of the receiving jig 40H is preferably 1 ⁇ m or more and 4 ⁇ m or less.
  • the end electrode 31I of the wiring board 30I is an electrode pad disposed on the back surface 30SB.
  • the end electrode 31I of the wiring board 30I is not limited to the flying lead.
  • the bumps may be arranged not on the external electrodes 22 of the image sensor but on the end electrodes of the wiring board. Further, the end electrodes of the wiring board may have protrusions instead of the bumps.
  • the endoscope has been described for medical use.
  • the present invention is not limited to this, and it goes without saying that the present invention can also be applied to a small-diameter industrial endoscope.

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Abstract

内視鏡用撮像装置10は、受光面20SAの端部に外部電極22が列設されている撮像素子20と、前記外部電極22と超音波接合されている端部電極31を有する配線板30と、を具備し、前記撮像素子20の裏面20SBに複数の溝20Tが形成されており、前記複数の溝20Tが、超音波接合のときの超音波の振動方向に対して傾斜している。

Description

内視鏡用撮像装置
 本発明は、受光面に外部電極を有する撮像素子と、前記外部電極と超音波接合されている端部電極を有する配線板と、を具備する内視鏡用撮像装置に関する。
 CMOS受光素子等の撮像素子を有する撮像装置を、挿入部の先端部に具備した電子内視鏡が普及している。医療用の内視鏡は、先端部に撮像装置が内蔵された可撓性を有する細長の挿入部を患者等の被検体の体腔内に挿入することによって、被検部位の観察等を行う。
 撮像素子は、配線板の端部電極と接合されている外部電極を介して電気信号を送受信する。撮像素子の外部電極と配線板の端部電極との接合信頼性は、内視鏡の信頼性において大きな要因の1つである。また撮像素子は半田接合等の高温処理により劣化するおそれがある。
 このため、外部電極と端部電極との接合には、低温で強固な接合が可能な超音波接合が用いられている。超音波接合を確実に行うためには、超音波接合装置の受け治具(アンビル)で保持した撮像素子が、超音波振動により振動しないように固定する必要がある。このため、受け治具には、真空吸着機構およびサイドクランプ等の様々な滑り止め機構が付加されていることがある。
 日本国特開平10-289916号公報には、リードフレームのダイパッドに放熱板を超音波接合した半導体装置が記載されている。ダイパッドが載置される受け治具の表面には、摩擦係数を上げるために滑り止め用の溝群が形成されている。
 しかし、内視鏡用の撮像素子では低侵襲化のため、例えば、底面が、1.0mm×1.5mm程度の微小サイズである。保持面積が小さい撮像素子の場合、受け治具に滑り止め用の溝群を設けただけでは接合信頼性を担保するのは容易ではないおそれがあった。
特開平10-289916号公報
 本発明は、撮像素子の外部電極と配線板のフライングリードとの接合信頼性が高い撮像装置を提供することを目的とする。
 本発明の実施形態の内視鏡用撮像装置は、受光面の端部に外部電極が列設されている撮像素子と、前記外部電極と超音波接合されている端部電極を有する配線板と、を具備する内視鏡用撮像装置であって、前記撮像素子の前記受光面と対向する裏面に複数の溝が形成されており、前記複数の溝が、超音波接合のときの超音波の振動方向に対して傾斜している。
 本発明によれば、撮像素子の外部電極と配線板のフライングリードとの接合信頼性が高い内視鏡用撮像装置を提供できる。
実施形態の撮像装置を含む内視鏡システムの外観図である。 実施形態の撮像装置の斜視図である。 実施形態の撮像装置の上面図である。 実施形態の撮像装置の下面図である。 実施形態の撮像装置の図3のV-V線に沿った断面図である。 実施形態の撮像装置の図3のIV-IV線に沿った断面図である。 実施形態の撮像装置の製造方法を説明するための斜視図である。 実施形態の撮像装置の製造方法を説明するためのフローチャートである。 インフィード型の研削加工機を説明するための模式図である。 インフィード型の研削加工機により形成されるソーマークの方向を示す図である。 実施形態の撮像装置の製造方法における研削ワークの配置を説明するための図である。 実施形態の撮像装置の撮像素子の側面図である。 実施形態の撮像素子のソーマークの方向を示す図である。 実施形態の撮像装置の研削ワークの上面図である。 実施形態の撮像装置の製造方法を説明するための斜視図である。 実施形態の変形例1の撮像装置の製造方法におけるソーマークの方向を説明するための図である。 実施形態の変形例1の撮像装置の製造方法における研削ワークの配置を説明するための図である。 実施形態の変形例2の撮像素子のソーマークの方向を示す図である。 実施形態の変形例3の撮像素子のソーマークの方向を示す図である。 実施形態の変形例4の撮像素子のソーマークの方向を示す図である。 実施形態の変形例5の撮像素子のソーマークの方向を示す図である。 実施形態の変形例6の撮像素子のソーマークの方向を示す図である。 実施形態の変形例7の撮像素子のソーマークの方向を示す図である。 実施形態の変形例8の撮像装置の製造方法を説明するための斜視図である。 実施形態の変形例9の撮像装置のるための斜視図である。
<実施形態>
 図1を用いて、本発明の実施形態の内視鏡用撮像装置(以下、「撮像装置」ともいう。)10を有する内視鏡2を含む内視鏡システム1について説明する。
 なお、図面は、模式的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、夫々の部分の厚みの比率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、表面の凹凸は大きく拡大して表示する。
 図1に示すように、内視鏡システム1は、内視鏡2と、プロセッサ5Aと、光源装置5Bと、モニタ5Cと、を具備する。内視鏡2は、細長い挿入部3を被検体の体腔内に挿入することによって、被検体の体内画像を撮像し撮像信号を出力する。
 内視鏡2の挿入部3の基端側には、内視鏡2を操作する各種ボタン類が設けられた操作部4が配設されている。操作部4には、被検体の体腔内に生体鉗子、電気メスおよび検査プローブ等の処置具を挿入するチャンネル3H(図2参照)の処置具挿入口4Aがある。
 挿入部3は、撮像装置10が配設されている先端部3Aと、先端部3Aの基端側に連設された湾曲自在な湾曲部3Bと、この湾曲部3Bの基端側に連設された可撓管部3Cとによって構成される。湾曲部3Bは、操作部4の操作によって湾曲する。
 操作部4の基端部側に配設されたユニバーサルコード4Bには、先端部3Aの撮像装置10と接続された信号ケーブル75が挿通している。
 ユニバーサルコード4Bは、コネクタ4Cを介してプロセッサ5Aおよび光源装置5Bに接続される。プロセッサ5Aは内視鏡システム1の全体を制御するとともに、撮像装置10が出力する撮像信号に信号処理を行い画像信号として出力する。モニタ5Cは、プロセッサ5Aが出力する画像信号を表示する。
 光源装置5Bは、例えば、白色LEDを有する。光源装置5Bが出射する光は、ユニバーサルコード4Bおよび挿入部3を挿通するライトガイド(不図示)を介して先端部3Aに導光され、被写体を照明する。
 図2~図6に示すように、内視鏡用撮像装置10は、撮像素子20と配線板30とを具備する。平面視矩形の配線板30の受光面20SAには、受光部21と、受光部21と電気的に接続されている複数の外部電極22が形成されている。撮像素子20は受光面20SAと受光面20SAと対向する裏面20SBとを有する。複数の外部電極22は、撮像素子20の受光面20SAの端部に短軸方向(Y方向)に平行に列設されている。そして、それぞれの外部電極22にはバンプ23が配設されている。
 内視鏡2の先端部3Aに配設されている撮像素子20は、低侵襲化のため、例えば、長さ(X軸方向)が1.5mm、幅(Y軸方向)が1mm、厚さ(Z軸方向)が0.3mmと極めて小さい。
 一方、配線板30の端面からは、複数のフライングリード31が突出している。端部電極であるフライングリード31は、配線板30の絶縁性基体が選択的に除去された導体配線からなる。フライングリード31は、リードフレームではアウターリードとよばれている
 フライングリード31の先端部はバンプ23を介して外部電極22と超音波接合されている。このため、バンプ23は超音波接合のときの超音波の振動方向に対して平行方向に潰れており、フライングリード31の先端部の上面には振動方向に平行な多数のスジ(超音波痕)が形成されている。
 撮像装置10では、複数のフライングリード31と複数の外部電極22とが同時に超音波接合される。そして、超音波の振動方向はバンプ23の列設方向(Y方向:短軸方法)である。このため、バンプ23の潰れている方向および超音波痕の方向は、バンプ23の列設方向に平行である。
 そして、図4に示すように、撮像素子20の裏面20SBには略直線状の複数の溝20Tが形成されている。後述すように複数の溝20Tは、撮像素子20を作製するウエハ加工プロセスの工程で形成されたソーマーク(研削痕)である。ウエハ加工プロセスで形成される溝は、微細な形状を高精度に形成することが可能である。超音波の振動方向(Y方向)すなわちバンプ23の列設方向に対して複数の溝20Tの方向は、略直交するように傾斜している。
 なお、複数の溝20Tは厳密には円弧状であるが、裏面20SBの全領域においてバンプ23の列設方向に対して略直交している。すなわち、複数の溝20Tは、バンプ23の列設方向(短軸方向:Y方向)に対する傾斜角θが例えば80度以上100度以下である。
 撮像素子20は裏面20SBに超音波の振動方向(Y方向)に対して略直交している複数の溝20Tが形成されている。このため、受け治具(アンビル)40に載置された撮像素子20は、超音波が印加されても、その振動Vにより受け治具40の上で滑って振動することはない(図14参照)。
 このため、撮像装置10は、撮像素子20のバンプ23と配線板30のフライングリード31との接合信頼性が高い。
 次に、図7に示すフローチャートに沿って撮像装置10の製造方法について説明する。
<ステップS10:撮像ウエハ作製>
 複数の受光部21と、それぞれの受光部21と接続された複数の外部電極22および複数のバンプ23と、が、公知の半導体プロセスを用いて、シリコンウエハ等の半導体基板の第1の主面に形成される。受光部21はCCD(Charge Coupled Device)、CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor)などである。シリコンウエハには、受光部21だけでなく信号処理回路などの半導体回路が形成されていてもよい。なお、300mmφのシリコンウエハの厚さは、例えば、775μmである。
<ステップS11:切断>
 シリコンウエハが切断されることで、それぞれに受光部21等が形成された複数の撮像素子20が作製される。撮像素子20は底面の外寸が例えば1mm×1.5mm、すなわち底面積が1.5mmと超小型である。なお、受光部21は形成されたシリコンウエハの第1の主面は、切断されると、撮像素子20の受光面20SAとなる。
<ステップS12:配置>
 撮像素子20は、厚さが例えば775μmと厚い。挿入部3の細径化のために、撮像素子20は、厚さが、例えば、20μm以上150μm以下に加工される。
 撮像素子20の薄層化のために第2の主面(裏面20SBに相当)の研削加工が行われる。図8に研削加工機80の一例を示す。インフィード型の研削加工機80は、ワークである撮像素子20が載置される保持盤81と、保持盤81に載置された撮像素子20を研削加工する研削盤82とを備えている。研削盤82には、例えばダイヤモンド砥粒を含む複数の砥石が配設されている。撮像素子20は保護テープ等により保持盤81に固定される。研削加工機80は、保持盤81の回転軸O1と研削盤82の回転軸O1とが一致しないセンターレス型である。
 ここで、インフィードセンターレス型の研削加工機80では、図9に示すように放射状のソーマーク(溝81T)が保持盤81に配置された複数のワークに形成される。
 本実施形態の撮像装置10の製造方法では、図10に示すように、複数の撮像素子20は、ソーマークが形成される方向に対してバンプ23の列設方向が直交するように保持盤81に配置される。すなわち、従来の撮像装置の製造方法では複数の撮像素子を含む半導体基板(シリコンウエハ)の状態で研削加工が行われていた。これに対して実施形態の撮像装置10の製造方法では、裏面研削工程の前にシリコンウエハが撮像素子20に切断され、撮像素子20の状態で研削が行われる。言い替えれば、複数の撮像素子20は半導体基板における配置とは異なる配置に、保持盤81に再配置される。
<ステップS13:研削加工>
 撮像素子20は、裏面20SBのソーマーク(溝)の方向に直交する方向の表面粗さRz(JIS B 060:十点平均粗さ、測定長0.2mm)が、0.5μm以上10μm以下になるように裏面側から研削加工される。表面粗さRzは、1μm以上5μm以下であることがより好ましい。なお、表面粗さRmax(JIS B 060:最大高さ、測定長0.2mm)は、1μm以上30μm以下が好ましい。
 表面粗さが前記範囲以上であれば、滑り止め効果が顕著で、撮像素子20と配線板30との接合信頼性が高く、前記以下であれば、撮像素子20にクラックが発生したりするおそれがない。
 図12Aおよび図12Bに示すように同時に研削加工された複数の撮像素子20は、いずれも同じように短軸方向に対して略直交するように傾斜している複数の溝20Tが形成される。
 なお、表面粗さが前記範囲以内で、かつ、複数の溝20Tのバンプ23の列設方向に対する傾斜角θが45度超135度未満であれば、特に滑り止め効果がある。傾斜角θは60度以上120度以下が好ましく、80度以上100度以下がより好ましい。なお、ソーマークである溝20Tは厳密には曲線であるが、撮像素子20では裏面20SBの全ての領域において傾斜角θは前記範囲内である。
 また、シリコンウエハを個々の撮像素子20に個片化してから研削加工する場合を例に説明した。しかし、図13に示すように、複数の撮像素子20を含むワーク20CSに切断し、ワーク20CSを研削加工し、その後に撮像素子20に個片化してもよい。
 ワーク20CSは含まれる全ての撮像素子20の裏面20SBに形成される複数の溝20T(ソーマーク)の方向が所定方向、すなわち、短軸方向に対して傾斜した方向になるように保持盤81に配置される。
 ワーク20CSは裏面研削の後に、個々の撮像素子20に個片化される。ワーク20CSによる研削は、保持盤81への配置が容易である。
<ステップS14:配線板作製>
 別途、配線板30が作製される。配線板30は、例えばポリイミド等の絶縁性樹脂を基体とし、導体配線、例えば、銅配線を有する。そして、端部の絶縁性樹脂が選択的に除去されることで、先端から突出した銅配線がフライングリード31となっている。
 フライングリード31の配設間隔と、撮像素子20の外部電極22(バンプ23)の配設間隔は、同じになるように設定されている。
<ステップS15:超音波接合>
 図14に示すように、超音波接合装置60は、固定ステージである受け治具(アンビル)40と、超音波振動する圧子ツール(ホーン)50とを含む。圧子ツール50は、超音波振動子(不図示)と機械的に結合しており、例えばV方向に40kHz、振幅2μmで振動する。
 受け治具40には、撮像素子20の位置を規定し保持するために、撮像素子20の両側面を固定するサイドクランプ41、42が配設されている。また、受け治具40の撮像素子20が載置される表面(載置面)40SAには撮像素子20の裏面20SBを真空吸着し固定するための孔H40が形成されている。なお、サイドクランプおよび吸着孔は受け治具40の必須構成要素ではない。受け治具40は、金属、セラミックまたは樹脂等からなる。
 撮像素子20が、受け治具40に載置される。配線板30の複数のフライングリード31の先端部が、撮像素子20の複数の外部電極22(バンプ23)の直上に配置され、同時に圧子ツール50で押圧されながら超音波が印加される。
 超音波振動によりフライングリード31とバンプ23の界面の酸化被膜および汚れが取り除かれ、結晶粒同士が原子間距離になるまで接近することで強力な引力が働き、冶金結合が生成される。このとき、バンプ23は超音波印加方向(Y方向)に沿って潰れ、圧子ツール50と接触していたフライングリード31の先端部には超音波印加方向にスジ(超音波痕)が刻み込まれる。
 すでに説明したように、超小型の撮像素子では、サイドクランプ41、42および真空吸着による固定だけでは、超音波が印加されると撮像素子が滑ってしまい、接合信頼性を担保するのは容易ではないおそれがあった。
 これに対して撮像素子20は裏面20SBに形成された溝(ソーマーク)20Tに滑り止め効果があるため、高い接合信頼性を得ることができる。
 超音波印加方向に対して傾斜している、言い替えれば、超音波印加方向と平行方向でなければ溝20Tは滑り止め効果を奏する。高い滑り止め効果を奏するために、溝20Tはすでに説明したように、超音波印加方向に対して傾斜しているが、傾斜角は45度超であることが好ましく、略直交、すなわち80度以上傾斜していることが特に好ましい。
 なお、溝20Tは、薄層化のための研削加工により形成されるソーマークに限られるものではない。例えば研削加工により形成されたソーマークの滑り止め効果が不十分な場合には、さらに滑り止め効果を奏するための所定仕様の溝を、研削加工またはエッチング加工等により形成してもよい。
 なお、溝20Tは、特に底面の面積が4mm以下の超小型の撮像素子を配線板と超音波接合する場合に顕著な効果がある。撮像素子の底面の面積の下限は特にないが、ハンドリングの技術的な限界から、例えば0.25mm以上である。
 また、撮像装置10では超音波印加方向が外部電極22の列設方向(Y方向)と平行であった。このため、溝20Tは、Y方向に直交するX方向に平行に形成されていた。これに対して、例えば超音波印加方向が外部電極22の列設方向(Y方向)に直交するX方向の場合には、溝20Tは、X方向に直交するY方向に平行に形成されることは言うまでも無い。
<実施形態の変形例>
 次に実施形態の変形例の撮像装置10A~10Iおよび撮像装置10A~10Iの製造方法について説明する。変形例の撮像装置10A~10I等は、実施形態の撮像装置10等と類似し、同じ機能を有しているので、同じ構成要素には同じ符号を付し説明は省略する。
<変形例1>
 変形例1の撮像装置10Aでは、撮像素子20Aは、研削加工機として、スルーフィールド(クリープフィード)型加工機を用いて薄層化される。
 スルーフィールド型加工機では、図15に示す方向のソーマーク80TAが保持盤81Dに載置された撮像素子に形成される。
 このため、図16に示すように、複数の撮像素子20Aは、形成されるソーマークの方向が所定の同じ方向になるように保持盤81Aに再配置される。
 撮像装置10Aは、撮像素子20Aの溝の方向が短軸方向(超音波印加方向)に対して、略直交しているため、高い接合信頼性を得ることができる。
 すなわち、研削方法はセンターレスインフィード研削が生産性の観点が好ましい。しかしインフィード加工機に限られるものでは無く、撮像素子の再配置によりソーマークの方向が短軸方向に対して略直交するように加工できればスルーフィールド加工機等であってもよい。
<変形例2>
 図17に示す変形例2の撮像装置10Bの撮像素子20Bでは、ソーマーク20TBは、超音波印加方向(Y方向)に対して傾斜している。そして、裏面20SBの全領域において傾斜角θは45度超である。
 溝20TBは滑り止め効果を奏するため、撮像装置10Bは、高い接合信頼性を得ることができる。
<変形例3>
 図18に示す変形例3の撮像装置10Cの撮像素子20Cでは、ソーマーク20TCは、略楕円形である。このため、ソーマーク20TCは超音波印加方向(Y方向)に対して傾斜角が45度以下の領域がある。しかし、ソーマーク20TCは超音波印加方向(Y方向)に対して45度超傾斜している領域(ハッチングで表示した領域)があるため、滑り止め効果を奏する。
<変形例4、5>
 図19に示す変形例4の撮像装置10Dの撮像素子20Dでは、ソーマーク20TDは、中心から放射状に円弧が広がっている。
 図20に示す変形例5の撮像装置10Eの撮像素子20Eでは、ソーマーク20TEは、中心から放射状に直線が広がっている。
 ソーマーク20TD、20TEは超音波印加方向(Y方向)に対して傾斜角が45度以下の領域がある。しかし、20TD、20TEは超音波印加方向(Y方向)に対して45度超傾斜している領域(ハッチングで表示した領域)があるため、滑り止め効果を奏する。
<変形例6>
 図21に示す変形例6の撮像装置10Fの撮像素子20Fでは、ソーマーク20TFは、略直線上であるが、それぞれのソーマーク20TFは、ランダムである。
 ソーマーク20TFは超音波印加方向(Y方向)に対して傾斜角が45度以下の部分もある。しかし、ソーマーク20TFは超音波印加方向(Y方向)に対して45度超傾斜している部分があるため、滑り止め効果を奏する。
<変形例7>
 図22に示す変形例7の撮像装置10Gの撮像素子20Gでは、裏面40SBにランダムに微少な凹凸パターン20TGがある。凹凸パターンTGは例えばエッチング痕であるが、微少な溝と見なすことができる。
 パターン20TGは、微視的には、超音波印加方向(Y方向)に対して傾斜角が45度以下の部分もある。しかし、パターン20TGは超音波印加方向(Y方向)に対して45度超傾斜している部分があるため、滑り止め効果を奏する。
 以上の説明のように、変形例2~7の撮像装置の撮像素子は、ソーマークが超音波印加方向(Y方向)に対して45度超傾斜している領域が裏面20SBの一部にあれば滑り止め効果を奏する。なお、特に、裏面20SBの面積の25%以上の領域に45度超傾斜しているソーマークが形成されていることが、滑り止め効果を奏するために特に好ましい。
<変形例8>
 図23に示す変形例8の撮像装置10Hの製造方法で用いられる超音波接合装置60Hは受け治具40Hが、実施形態の超音波接合装置60と異なる。
 受け治具40Hの表面40SAには、超音波の振動方向と直交する方向の複数の溝40THが形成されている。そして、表面40SAの表面粗さRz40が、撮像素子20の裏面20SBの表面粗さRz20と略同じ、例えば、0.5μm以上10μm以下である。
 このため、超音波が印加されたときに、溝20THの凹凸と溝40THの凹凸とが嵌合しあうため、特に高い滑り止め効果を奏する。
 なお、溝20THの表面粗さRz20と溝40THの表面粗さRz40とは略同じ、例えば±20%であることが、両者が嵌合するために特に好ましいが、±50%以下であれば所定の効果が得られる。例えば撮像素子20の表面粗さRz20が2μmであれば、受け治具40Hの表面粗さRz40は1μm以上4μm以下であることが好ましい。
<変形例9>
 図24に示す変形例9の撮像装置10Iの撮像素子20Iでは、配線板30Iの端部電極31Iは、裏面30SBに配設された電極パッドである。
 すなわち、配線板30Iの端部電極31Iはフライングリードに限られるものではない。
 また、バンプは撮像素子の外部電極22ではなく、配線板の端部電極に配されていてもよい。さらにバンプに替えて配線板の端部電極が突起部を有していてもよい。
 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。
 また、上述した実施形態では内視鏡を医療用として説明したが、これに限られず、細径の工業用内視鏡にも適用可能であることは言うまでもない。
1…内視鏡システム
2…内視鏡
10、10A~10I…内視鏡用撮像装置
20…撮像素子
20SA…受光面
20SB…裏面
20T…溝
21…受光部
22…外部電極
23…バンプ
30…配線板
31…フライングリード
40…受け治具
50…圧子ツール
60…超音波接合装置
80…研削加工機
81…保持盤
81T…溝
82…研削盤

Claims (8)

  1.  受光面の端部に外部電極が列設されている撮像素子と、
     前記外部電極と超音波接合されている端部電極を有する配線板と、を具備する内視鏡用撮像装置であって、
     前記撮像素子の前記受光面と対向する裏面に複数の溝が形成されており、前記複数の溝が、超音波接合のときの超音波の振動方向に対して傾斜していることを特徴とする内視鏡用撮像装置。
  2.  前記振動方向が、前記外部電極の列設方向であることを特徴とする請求項1に記載の内視鏡用撮像装置。
  3.  前記複数の溝が、研削加工によるソーマークであることを特徴とする請求項2に記載の内視鏡用撮像装置。
  4.  前記複数の溝が、前記振動方向に対して45度超傾斜していることを特徴とする請求項3に記載の内視鏡用撮像装置。
  5.  前記振動方向に直交する方向の前記撮像素子の前記裏面の表面粗さRzが、0.5μm以上10μm以下であることを特徴とする請求項4に記載の内視鏡用撮像装置。
  6.  受光面の端部に外部電極が列設されている底面積が0.25mm以上4mm以下の撮像素子と、
     前記外部電極と超音波接合されている端部電極を有する配線板と、を具備する内視鏡用撮像装置であって、
     前記撮像素子の前記受光面と対向する裏面に研削加工によるソーマークが形成されており、前記ソーマークが、前記裏面の全領域において、前記外部電極の列設方向に対して80度以上100度以下傾斜しており、前記外部電極の列設方向に直交する方向の前記裏面の表面粗さRzが、0.5μm以上10μm以下であることを特徴とする内視鏡用撮像装置。
  7.  受光面の端部に外部電極が列設されている撮像素子と、前記外部電極のそれぞれと超音波接合されている端部電極を有する配線板と、を具備する内視鏡用撮像装置の製造方法であって、
     半導体基板の第1の主面に複数の受光部を形成する工程と、
     前記半導体基板を切断し複数の撮像素子を作製する工程と、
     形成されるソーマークの方向が前記撮像素子の短軸方向に対して傾斜した方向になるように、前記複数の撮像素子を研削加工機に再配置する工程と、
     前記複数の撮像素子の前記受光面と対向する裏面を研削加工し、超音波接合するときの超音波の振動方向に対して傾斜しているソーマークを形成する工程と、
     超音波接合装置の受け治具に載置された前記撮像素子の外部電極と、前記配線板の端部電極とを超音波接合する工程と、を具備することを特徴とする内視鏡用撮像装置の製造方法。
  8.  前記受け治具表面に複数の溝が形成されており、
     前記受け治具の前記表面の表面粗さと、前記撮像素子の前記裏面の表面粗さとが、同じであることを特徴とする請求項7に記載の内視鏡用撮像装置の製造方法。
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