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固態圖像傳感器要求在環境大氣中得到有效防護。第一代圖像傳感器安裝在帶玻璃蓋的標準半導體封裝中。這種技術能使裸片得到很好的密封和異常堅固的保護,但體積比較龐大,制造成本也比較高。引入晶圓級封裝后,制造工藝成本可以被晶圓上的所有合格裸片共同分擔,因此成本有了顯著降低,封裝厚度也幾乎減小了一個數量級。材料、裝配工藝和半導體技術的不斷創新將使這一趨勢得以繼續。現代固態圖像傳感器已經成為日常用品,總的封裝厚度只有數百個微米,甚至能夠滿足汽車可靠性要求。

固態圖像傳感器

固態圖像傳感器是一種建立在硅片晶圓之上的相當傳統的半導體裸片,每個裸片都有一個光敏感區域。為了確保長使用壽命,圖像傳感器裸片要求隔離于環境大氣。引起故障的主要原因包括:

1.腐蝕

空氣,或者更準確地講是正常空氣中所含的濕氣,會極度腐蝕半導體的裸片。功能性半導體是一種非常復雜的多層組件,最外層是非常精細的鋁制母線條。金屬鋁擁有非常高的電位勢,當與其它金屬接觸并在有濕氣的情況下組成回路時將發生快速的腐蝕效應。而根據功能需要,半導體的外部連線一般都會采用鋁以外的金屬制作,因此永遠保持圖像傳感器裸片的干燥是非常重要的。

2.機械損傷

圖像傳感器的光敏感區域覆蓋有微型半球狀透鏡陣列。該透鏡將落在成像區域中每個圖像單元(像素)上的光線聚焦到半導體的光線敏感區域。圖像傳感器的其它區域對光線不敏感,因為它們是與每個像素相關的一些電子元件和走線。這些微型透鏡采用軟性聚合體材料,非常精密,任何物理接觸都會導致難以修復的損傷。

3.遮蓋

現代固態圖像傳感器上單個像素的邊長通常只有3μm,甚至更小,與普通空氣中的灰塵顆粒相比要小得多。而位于每個像素上面的微型透鏡不僅軟和容易受損,而且由于靜電充電和表面化學特性而有些粘。這意味著一旦灰塵顆粒落在像素上就無法被清除。顯然,如果灰塵顆粒的大小接近像素大小,它會阻擋入射光線,導致圖像上呈現黑色像素。人眼對圖像中的靜態缺陷非常敏感,即使單個死像素也會令人不快。

解決上述所有故障因素的有效方法是將每個圖像傳感器封裝起來。密封的封裝可以阻止濕氣達到裸片,而玻璃蓋又允許光線射到敏感區域,還能保護機械損傷和顆粒遮蓋。

陶瓷圖像傳感器封裝

第一代固態圖像傳感器采用陶瓷封裝(見圖1)。這種封裝與傳統半導體用的封裝是一樣的,除了用玻璃或石英代替傳統的金屬或陶瓷蓋。封裝的四壁和基座約1mm厚,蓋子約500μm厚。陶瓷封裝體積非常大,這是因為管芯底槽必須足夠大才能適應裝配和裸片尺寸容差。另外,裸片周圍還有一圈焊盤,從而增加了封裝的X/Y尺寸。再利用精細的金屬線將這些焊盤與裸片上的綁定焊盤連接起來。封裝的電氣連接是通過下側的邊或周邊引線或通過反面的焊盤或焊球陣列實現的。包含這些互連在內的封裝總高度約為5mm。

圖1:用于固態圖像傳感器的陶瓷封裝。

從技術角度看,這類封裝是比較理想的,而且事實上仍有許多高性能圖像傳感器(如2000萬像素以上)在使用這種封裝。單片陶瓷基底與玻璃蓋通過金屬聯接工藝裝配在一起可以確保封裝的完好密封性能。這樣,像干燥的氮氣等特殊氣體就可以被密封在封裝里面,并保持數十年不變。這種傳感器能很好地防止機械損傷,落在玻璃蓋上的任何灰塵顆粒必要時都可以很容易擦試或清洗干凈。另外,由于玻璃蓋與微型透鏡還隔一定的距離,因此能在圖像上造成明顯缺陷的灰塵顆粒需要足夠大才行。即使發生這種情況,這種缺陷也只是表現為較低亮度的一個區域,而且邊緣分散,人眼不太容易察覺。

這種封裝的主要缺點是成本和體積。即使在大批量生產時,陶瓷封裝的單片成本通常也要用美元來計。另外,每個封裝好的圖像傳感器必須當作獨立器件進行組裝,因此工藝成本相對較高。對于像蜂窩電話等便攜式電子產品而言,陶瓷封裝就顯得太大、太厚和太貴而無法被接受。

晶圓級封裝

半導體的晶圓級封裝從經濟性角度看是非常吸引人的。這種方法的基本原理是將所有裸片同時封裝在晶圓上,此時仍是晶圓形式,然后再釋放單獨封裝后的部件。這種方法的非凡優勢在于工藝成本可以在晶圓上的所有合格裸片之間分擔。一片200mm直徑的圖像傳感器晶圓上一般有750到1500個裸片,因此與單獨陶瓷封裝相比,每個裸片的封裝成本可以降低一個數量級。

雖然晶圓級封裝看起來似乎很簡單,但大批量生產所需的材料、工具和專業知識直到最近才真正成功實現。用于圖像傳感器的第一代晶圓級封裝涉及將一塊玻璃晶圓綁定到圖像傳感器的正面,將第二塊玻璃晶圓綁定到反面(見圖2)。正面聯接用的粘合劑是專門挑選的,具有光學透明特性。封裝橫截面的均勻性確保所有的受力是均衡的。裸片的電接口是焊球陣列,也稱為球柵陣列(BGA),位于封裝的反面。在BGA和半導體裸片之間的連接建立方面采用了多種私有機制。包含焊球在內的封裝總厚度約為900μm。

圖2:圖像傳感器由晶圓級成形的封裝保護。

如圖2所示的封裝只適合低分辨率的圖像傳感器,如CIF器件,這種器件在每個像素上面不使用微型透鏡。這是因為光學粘合劑的折射率要比空氣高,因此會阻礙微型透鏡的正常工作。這個問題可以通過將正面玻璃移離裸片幾十個微米、使微型透鏡上方留出一個較小的空氣間隙來解決。這時正面玻璃只能通過環繞光線敏感區域的粘合劑相框附著于裸片。裸片與正面玻璃之間機械耦合的減弱能使裸片反面玻璃減小約一半的厚度,從而使總的封裝高度降低到約700μm。

晶圓級封裝的尺寸理論上受限于裸片尺寸。由于完整封裝是直接從晶圓上切割下來的,因此芯片與封裝尺寸完全相同。這種特性在半導體封裝解決方案中是很獨特的。因此晶圓級封裝有時也被稱為“芯片級封裝”。

第三代晶圓級封裝

目前便攜式電子設備的流行趨勢是越來越薄。同時,其它國家也在大規模開發圖像傳感器。比如汽車產業,需要在車內集成各種輔助駕駛裝置和中央信息控制臺,這些控制臺要能顯示車輛診斷、娛樂系統狀態和導航信息。汽車設備用的圖像傳感器對可靠性的要求比手機要高得多。這是不足為奇的,因為手機的平均壽命也就幾個月,常常由于推出更新款式或更好型號而不是技術問題被更換,而典型的國產汽車至少要使用數年時間。另外,手機大部分在良好的環境下使用,而車載圖像傳感器要暴露在特殊的氣候條件下,包括周期性地整個泡在水里。

雖然汽車用的圖像傳感器不受大小和重量的限制,但其集成受成本影響比較大。因此,雖然有陶瓷封裝保護的圖像傳感器適合汽車應用,但業界仍盼望更具性價比的解決方案。適合圖像傳感器的第三代晶圓級封裝應運而生,它不僅進一步減小了封裝厚度,而且能夠滿足嚴格的汽車可靠性要求。

用于固態圖像傳感器的第三代晶圓級封裝的關鍵區別是裸片反面的玻璃板被特殊配方的聚合體所替代。對封裝結構和工藝流程做少許修改就可以使這種聚合體聯接到正面玻璃上,從而使器件的整個外圍獲得良好的密封效果(見圖3)。

圖3:用于固態圖像傳感器的第三代晶圓極封裝。

圖中用綠色表示的間隔墻提供了微型透鏡和玻璃罩之間的空隙。很薄的聚合體層提供了裸片反面的完整密封,并為玻璃罩提供了封裝側墻。裸片上的綁定焊盤穿過結構連接到封裝下側面的球柵陣列。這種技術能使封裝很容易通過汽車環境測試。取消封裝中的第二塊玻璃晶圓也就去掉了相對昂貴的組件,因此第三代晶圓級封裝比第一和第二代方案都要便宜一點。聚合體層也要比被它替換掉的玻璃層薄一個數量級,因此第三代封裝非常適合最新最薄的便攜式電子設備使用。同時,半導體技術的進步導致了封裝厚度的穩步降低,而且硅片裸片厚度的減少不會犧牲傳感器的性能。第一代圖像傳感器要求的硅片厚度約500μm,這一條件在當前設計中已經降低到了接近100μm。第三代圖像傳感器封裝的總厚度現在已經低于500μm。

本文小結

固態圖像傳感器必須加以封裝才能防止腐蝕、機械損傷和灰塵顆粒的遮蓋。固態圖像傳感器最初采用的是全密封、獨立封裝,但現在大部分已被晶圓級封裝所替代。晶圓級封裝有了很大的發展,已經完全可以滿足市場對更薄、更便宜和更可靠封裝的圖像傳感器的要求。最新一代的技術可以提供低成本、芯片級的解決方案,總厚度小于500μm,完全能夠滿足嚴格的汽車可靠性標準要求。

作者:Giles Humpston

  研發總監

  Yehudit Dagan

  營銷副總裁

  Tessera 公司