成像装置 【技术领域】
本发明涉及一种小型成像装置，包括半导体成像器件以及主要使用在便携式设备的照像机或类似部件中。
背景技术
在传统的小型成像装置中，正如JP2001-245186A中所描述的，穿过透镜的成像光被允许进入半导体成像器件(例如CCD)并且被转换成电信号，因此获得成像信号。随着对便携式设备之较小尺寸以及较高性能的需求，对于减小成像装置自身的尺寸和重量也有日益增加的需要。
为此目的，已经进行了多次尝试，以尽可能地减小成像装置中各个部件的厚度，以便获得较薄的成像装置。
在减小半导体成像器件自身的厚度以便获得较薄成像装置时，半导体晶片地后表面通常被研磨(ground)以减小厚度。
但是，在采用这种方式减小厚度时，有以下问题。由于从与光接收表面(成像光应通过该表面进入)相对的表面(此后被称作“后表面”)进入半导体成像器件之光的影响，会使成像光变差或者使作为黑色基准之光学标准的OB(光学黑色)变化，从而不可能获得良好的成像信号。这样，存在着对半导体成像器件之厚度减小的限制，这形成了成像装置厚度减小的障碍。
而且，当减小半导体成像器件的厚度时，树脂屏蔽层等等有时被结合到半导体成像器件的后表面，用于防止正如上述由于来自后表面之入射光而使成像光变差。这增加了新的操作步骤以及部件的数目，提高了成像装置的成本。
【发明内容】
本发明的目的在于解决上述传统的问题，提供一种成像装置，该成像装置可实现厚度减小，同时又可以抑制新的操作步骤之数目的增加以及成本的增加。
为了实现上述目的，根据本发明的一种成像装置包括：三维电路板，其大致不透过可见光，并且包括圆筒状部分以及底部分；由三维电路板固定的半导体成像器件；由筒状部分固定的光学系统，其将光导向半导体成像器件；以及柔性印制电路，其设置在三维电路板上与筒状部分相对的一侧，用于发送信号到半导体成像器件和从半导体成像器件接收信号。柔性电路板朝向半导体成像器件的区域在对半导体成像器件之光接收敏感的范围内具有足够的屏蔽特性。
【附图说明】
图1是根据本发明实施例的成像装置的立体图；
图2是根据本发明实施例的成像装置从后表面侧看到的分解立体图；
图3是根据本发明实施例的成像装置的截面视图；
图4是显示从半导体成像器件后表面进入的光的波长和发送距离之间关系的曲线图；
图5是显示当使光从半导体成像器件后表面进入时光的波长和屏蔽特性之间关系的曲线图；
图6是显示环境照度和图像质量变差之间关系的曲线图。
【具体实施方式】
在本发明中，“对半导体成像器件之光接收敏感的范围”是指进入半导体成像器件以至于使成像光变差并且使OB(光学黑色)变化、从而抑制良好成像信号之不希望的光的波长范围。
本发明的成像装置可以充分地阻止光从半导体成像器件的后表面进入，从而即使当没有使用传统的屏蔽层时成像质量也没有变差。由于屏蔽层变得没有必要，所以可以减少屏蔽层自身的成本，以及结合屏蔽层之步骤的数目。而且，可以减小对应于屏蔽层和粘合剂的厚度。
在上述本发明的成像装置中，优选地，半导体成像器件具有通过研磨其后表面所获得的较小厚度。这使得减小半导体成像器件的厚度比较容易，获得较薄的成像装置。同时，因为在上述本发明的成像装置中可以充分阻止从半导体成像器件的后表面进入的光束，所以即使在减小半导体成像器件之厚度时，也不会引起由于不希望的光进入半导体成像器件的后表面而引起的问题。
而且，在本发明的上述成像装置中，优选地，在柔性印制电路朝向半导体成像器件的区域中，对波长长于可见范围之光的屏蔽特性高于对可见范围内之光的屏蔽特性。在从半导体成像器件后表面进入的光中，具有波长长于可见范围的之光更深地进入半导体成像器件。这样，柔性印制电路板对具有这种长波长的光具有极好的屏蔽特性，并且，即使在减小半导体成像器件的厚度的情况下，也可以减小从后表面进入的光的影响。因此，可以实现更薄的成像装置。
而且，在上述本发明的成像装置中，优选地，在柔性印制电路朝向半导体成像器件的区域上层叠金属薄片。在这种方式下，利用较薄的金属薄片可以实现与常用树脂屏蔽层等效的屏蔽特性，从而可以减小成像装置的厚度。而且，可行的是，金属薄片被至少层叠在朝向半导体成像器件的区域中。从而，可以抑制通过层叠金属薄片而引起的成本增加。
在这种情况中，优选地，金属薄片包含铝作为主要成分。这可以减小金属薄片的密度，从而减小金属薄片的质量。结果，层叠金属薄片几乎没有引起整个成像装置质量的增加。
可替换地，金属薄片可以包含银或者镍作为主要成分。在这种方式下，即使当成像装置安装在其它电路附近时，如在便携式设备的情况中，它极好的高频特性帮助改善了成像装置的EMI特性以及抗扰性。
在本发明中，“主要成分”意思是上述组分在重量上占有至少50％，以及优选地，在重量上占有至少70％。
以下通过具体例子来描述本发明的实施例。
图1是根据本发明实施例的成像装置的立体图；图2是图1所示的成像装置从后表面侧所看到的分解立体图；以及图3是图1所示成像装置的截面视图。图4是显示从半导体成像器件后表面进入的光的波长和传送距离之间关系的曲线图；图5是显示当使光从半导体成像器件后表面进入时光的波长和屏蔽特性之间关系的曲线图；以及图6是显示环境照度和图像质量变差之间关系的曲线图。参考这些附图，下面将描述本发明的成像装置。
首先，描述本发明成像装置的结构。如图1到图3所示，三维电路板1包括圆筒状部分6和基本上为矩形平行六面体的底部分7，它们形成为一块。在筒状部分6和底部分7的边界附近，形成开口11。开口11的下沿设置有其上安装半导体成像器件4的安装表面12。三维电路板1可以由玻璃加固PPA(聚邻苯二甲酰胺树脂)或类似物形成，其颜色是黑色，以防止外部可见光通过。优选地，相对于波长从380nm到780nm之可见光范围内的光束，三维电路板1具有1％或者更低的透射率。在该例子中，使用相对于可见光范围之光束具有0.2％透射率的三维电路板。在与筒状部分6相对的底部分7的表面，通过无电镀或类似方式形成布线构图7b。布线构图7b的一端连接到形成在安装表面12上的连接区7c，而其另一端连接到设置在三维电路板1的底部分7之外部侧表面上的端部7a上。半导体成像器件4被裸装在连接区7c上，以便其光接收表面朝向筒状部分6的一侧。而且，芯片部件(未示出)安装在其上形成布线构图7b的底部分7的表面上。
非对称透镜(以下简单称为“透镜”)2装配在三维电路板1之筒状部分6的内周上。透镜2的光轴基本上与筒状部分6的中轴重合。滤光器5设置在透镜2和开口11之间。在透镜2的上方，形成作为筒状部分之一部分的具有预定开口的光阑3，用于固定和安装透镜2。
透镜2可以由满足必要光学特性(例如透射率和折射率)的树脂材料形成。在本例中，使用由ZEON公司制造的“ZEONEX”(商品名)。同时，在本例中，透镜2由两个透镜构成(在图中，示出了单个透镜以便简化)，以及可实现所谓的全焦点(pan-focus)，其中可以形成位于某一距离或者更远处的物体之图像。更具体地，透镜的设计使得对位于大约30cm或者更远距离处的物体获得极好的聚焦。但是，透镜2的材料、结构以及特性并不局限于本例，而是可以根据所期望的应用合适地变化。
设置滤光器5用于阻止不希望的红外光线和透过具有在可见范围内的波长的光。例如，可以使用晶体过滤器或者覆盖IR涂层的玻璃。如果必要，可以增加一个AR涂层，用于抗反射。
来自物体的成像光进入光阑3，并且由透镜2聚焦。在由滤光器5除去其红外成分之后，成像光穿过开口11并且进入半导体成像器件4。
半导体成像器件4将入射成像光转换为期望的电信号。在本例中，使用1/6英寸的VGA CCD，它具有大约320000像素，以每秒30帧的帧速率输出成像信号，并具有4∶3的屏的宽高比(aspect ratio)。半导体成像器件4通过连接方法(例如BGA(球状矩阵排列)或者SBB(柱形锡块结合))电连接到形成在安装表面12上的连接区7c上。
在三维电路板1的下侧，设置柔性印制电路(以下称为FPC)8，以便覆盖三维电路板1的下表面。三维电路板1的端部分7a和形成在FPC上的区8a通过焊剂9电连接。这也以机械方式结合三维电路板1和FPC 8。在本例中，通过依次层叠由形成预定构图的1/30z(12μm)厚的轧制铜形成的布线层、和在1/2mil(12.5μm)厚的聚酰亚胺基薄膜上的预定位置具有开口的覆盖膜来制备FPC 8。在FPC 8中，包括至少朝向半导体成像器件4的区域(半导体成像器件4的突出区域)之区域具有屏蔽特性，足以避免由于光从半导体成像器件4的后表面侧进入而引起的成像信号变差。更具体地，优选地，朝向半导体成像器件4的FPC 8的区域相对于在对半导体成像器件4之光接收敏感的范围内的光束具有0.5％或者更低的透射率。虽然对半导体成像器件4的光接收敏感的范围根据半导体成像器件4而变化，但是对使用硅衬底的半导体成像器件的光接收敏感的范围内的光束一般具有1200nm或者更短的波长。使用在本例中的FPC 8在朝向半导体成像器件4的区域相对于可见光范围内波长从380nm到780nm的光束具有0.2％或者更低的透射率，以及相对于波长780nm到1200nm范围的光束具有0.1％或者更低的透射率。在本例中，在包括至少朝向半导体成像器件4的区域之区域中，通过将由铝形成的具有屏蔽特性的10μm厚金属薄片10结合到与三维电路板1结合的FPC 8表面相对的表面而将被固定。如图2所示，金属薄片10可以大于朝向在三维电路板1之底部分7上的FPC 8，并且具有与FPC 8相匹配的外形。在这种方式下，通过利用挤压工艺，将整个表面预先与金属薄片10层叠的FPC 8简单地冲压成预定形状，也可以将金属薄片10处理成预定形状。这样，可以实现低成本的制造，同时没有增加任何新的步骤。
FPC 8可以设置有DSP(数字信号处理器)，其没有在图中示出，用于信号处理，由此，将来自半导体成像器件4中的电信号转换成期望形式的信号，或者执行例如白色平衡调节或颜色校正的处理。
一般地，成像装置的厚度是各个部件厚度的总和。为了实现较薄的装置，通过增加透镜2的折射率而缩短它的焦距以及减小光学系统中滤光器5的厚度是有效的。正如用于安装半导体成像器件4的方法，使用没有封装的裸装对于减小厚度是很有效的。优选地，对应于各个像素的公知精密透镜(被称作微透镜或者片上透镜)设置在半导体成像器件4的光接收表面之表面上。在微透镜的下侧，设置颜色过滤器、铝布线和光电二极管。它们具有最多大约有几十微米的厚度。
在本例中，半导体成像器件4(当其是晶片时厚度为大约0.9mm)从后表面侧被打磨，以便达到0.3mm的厚度。正如从图3清楚的看到，利用在半导体成像器件4中较小的厚度，可以使得成像装置变得更薄。这样，很容易理解，晶片的厚度减小对于实现较薄的成像装置是很有效的。晶片的厚度不限于在上述例子中描述的那样，而是最好适当考虑安装设备、晶片的平面度以及机械强度的参数而确定。
在半导体成像器件4中，已进入与设置有微透镜的表面相反的表面(后表面)的光穿过设置在半导体成像器件4中的铝布线和光电二极管，这样，改变黑色基准的光学标准，即OB(光学黑色)，从而在一些情况下图像质量变差或者图像不能显示。虽然OB在此没有详细描述，但是一般通过提供下面的结构来防止OB的变化，其中屏蔽像素以防止固态成像装置的有效像素面积周围的光。但是，当晶片作得更薄时，由于以上所描述的来自后表面的入射光引起的OB变化所引起的各种问题将变成实际的问题。因此，有必要采取一些以下将描述的措施。
图4是显示在本发明的例子中投射到半导体成像器件4后表面的光的波长和光的透射深度之间关系的曲线图。更具体地，光从具有一定强度的光源投射到半导体成像器件4的后表面。如果图像质量变差，判断光被透射。这使用具有各种厚度的样品来测量，每个通过从其后表面研磨半导体成像器件4以及在各种光的波长下而来制备。结果显示，具有较长波长的红外线更深地透射，引起图像质量变差。这会影响半导体成像器件4的带隙和波动特性。
虽然半导体成像器件4的厚度减小对于实现较薄的成像装置是很有效的，但是，有必要给后表面的屏蔽予以合适的考虑。在本发明中，通过在用于连接外部部件的FPC 8中有效地提供此屏蔽功能而可以使得厚度减小。
现在，描述图5，图5是显示进入FPC 8之光的波长和屏蔽特性之间关系的曲线图。测量方法如下。光投射到提供在图1到图3所示的根据本发明例子的成像装置的FPC 8的后表面上设置的铝金属薄片10的外侧表面，其上安装有0.3mm厚的半导体成像器件4。改变光强度同时保持波长不变。根据图像质量开始变差时的强度，评估在此波长的屏蔽特性。测量在具有在FPC 8中部的开口的成像装置(比较样品)中当图像质量开始变差时以及在本发明的成像装置(本发明的产品)中当图像质量开始变差时的光强度，然后本发明产品的光强度相对于比较样品的光强度(其被表示为1)的比率被当作屏蔽特性。在不同的波长下对此进行测量。这样，屏蔽特性值1意味着等效于没有提供FPC 8的情况的水平，即没有屏蔽效果。屏蔽特性值10意味着相对于没有提供FPC的情况时强度的10倍的光、FPC 8阻止图像质量变差。图5表示本发明尤其在红外光区域达到了显著的屏蔽效果。考虑到这一点归功于金属具有屏蔽特性和低热阻的事实。
现在将描述图6。图6是显示环境照度和图像变差之间关系的曲线图。除了水平轴500LX的照度下的值(在室内测量)以外，这些值表示在日光(即室外)下测量的特性。测量方法如下。使用0.9mm厚的半导体成像器件4作为比较例子，检查类似于上述本发明的例子的成像装置的成像装置(除了在FPC 8中部提供一开口外)，以及○表示图像质量没有变差，而×表示图像质量变差。而且，检查本发明上述例子的成像装置，并且●表示图像质量没有变差。正如从该图中可清楚的看到，图像质量在几千勒克斯(即对应于当对于比较例子的成像装置，在多云时室外的照度的环境)开始变差，而即使在大约1×105lx(即在对于根据本发明例子，在无云天空下的环境)，图像质量没有变差。这样，能够理解，即使考虑半导体成像器件4中从0.9mm到0.3mm之0.6mm的厚度减小以及金属薄片10和粘合剂厚度的增加(其需要被新增加在FPC 8中)，本发明也可以实现足够薄的成像装置。虽然上述说明针对使用铝薄片用于屏蔽后表面的例子，但是本发明的金属薄片10并不局限此。金属薄片10的厚度可以根据整个装置的厚度和成本合适地选择。也有对减小成像装置的重量以及其厚度和尺寸的强烈需求。因为可以充分抑制质量的增加，使用包含铝作为主要成分的金属薄片10是有效的。在上述例子中，在质量上的增加对于铝薄片部分是6mm×10mm×0.01mm×2.7mg/mm3≈1.6mg，以及对于粘合剂部分为0.10mg，这仅仅增加了小至1.7mg很小的量。
而且，金属薄片10布置在包括至少朝向半导体成像器件4的区域之区域中的FPC 8中，这样提供了充分的屏蔽特性。由于FPC 8相对于三维电路板1的安装移位或者安装在三维电路板1的光学中心处的光学系统和半导体成像器件4之间的安装移位、或来自FPC 8周围的折射光，金属薄片10的布置导致可以阻止进入半导体成像器件4的后表面之光的影响。用于改善屏蔽特性的FPC 8的区域(金属薄片10被层叠的区域)的具体尺寸可以根据安装设备的精确性、各个部件尺寸的精确性和成本合理地确定。但是，可以容易地理解，此区域必须等于或者大于朝向半导体成像器件4的区域。
金属薄片10的材料也可以是银或镍。
下面是使用银的情况的说明。本发明的成像装置通常用于便携式设备(例如蜂窝电话)以及便携式终端。在这种小型便携式设备中，成像装置常常安装在其它电路附近。这样，必须考虑防止其它电路所引起噪音强加在图像信号上、或者成像装置的时钟变成小型便携式设备中的噪音源。对此，使用具有良好展延性和柔韧性以及小的比电阻的银改善EMI特性和抗扰特性。而且，因为银是贵金属，不需要承受抗氧化处理等等，以及因此可以被使用而不考虑任何特殊的防锈处理或者对FPC的任何影响。反之，在各个方面的考虑都是不必要的，从而增加了设计的自由度。
现在，将讨论使用镍的情况。因为镍具有小的比电阻，虽然没有银那么小并且是铁磁体，但它在高频设备(例如蜂窝电话)中可以用作电磁屏蔽。因为它具有高的导磁性，镍特别在高频时可以提高屏蔽效果。根据本发明使用镍薄片作为金属薄片10的成像设备被安装在蜂窝电话上，并且评估不希望的发射。结果发现，不希望的发射在一个若干GHz的频带内减小。随着信道数量的增加，未来的蜂窝电话有望使用更高频率范围。因此，安装使用薄镍片作为金属薄片10的成像装置有望实现减小不希望发射之新的效果。
虽然上述例子针对使用VGA CCD作为半导体成像器件4的例子，但是本发明并不局限于此。也可以使用其它形式的半导体成像器件，例如CIF(通用中间格式)以及Q-CIF和C-MOS半导体成像器件。而且，本发明也可以被适当地修改为根据本发明原理的其它类型。
本发明可以其它特定形式实施而不偏离其精神和基本特性。本申请中公开的实施例在所有方面都应被视为说明性的而非限制性的，由所附权利要求而不是前述说明表示本发明的范围，在权利要求的含义及等效范围内产生的所以变化都应包含在其中。