固態(tài)圖像傳感器要求在環(huán)境大氣中得到有效防護(hù)。第一代圖像傳感器安裝在帶玻璃蓋的標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體封裝中。這種技術(shù)能使裸片得到很好的密封和異常堅(jiān)固的保護(hù),但體積比較龐大,制造成本也比較高。引入晶圓級(jí)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(dān),因此成本有了顯著降低,封裝厚度也幾乎減小了一個(gè)數(shù)量級(jí)。材料、裝配工藝和半導(dǎo)體技術(shù)的不斷創(chuàng)新將使這一趨勢(shì)得以繼續(xù)。現(xiàn)代固態(tài)圖像傳感器已經(jīng)成為日常用品,總的封裝厚度只有數(shù)百個(gè)微米,甚至能夠滿(mǎn)足汽車(chē)可靠性要求。
固態(tài)圖像傳感器
固態(tài)圖像傳感器是一種建立在硅片晶圓之上的相當(dāng)傳統(tǒng)的半導(dǎo)體裸片,每個(gè)裸片都有一個(gè)光敏感區(qū)域。為了確保長(zhǎng)使用壽命,圖像傳感器裸片要求隔離于環(huán)境大氣。引起故障的主要原因包括:
1.腐蝕
空氣,或者更準(zhǔn)確地講是正常空氣中所含的濕氣,會(huì)極度腐蝕半導(dǎo)體的裸片。功能性半導(dǎo)體是一種非常復(fù)雜的多層組件,最外層是非常精細(xì)的鋁制母線(xiàn)條。金屬鋁擁有非常高的電位勢(shì),當(dāng)與其它金屬接觸并在有濕氣的情況下組成回路時(shí)將發(fā)生快速的腐蝕效應(yīng)。而根據(jù)功能需要,半導(dǎo)體的外部連線(xiàn)一般都會(huì)采用鋁以外的金屬制作,因此永遠(yuǎn)保持圖像傳感器裸片的干燥是非常重要的。
2.機(jī)械損傷
圖像傳感器的光敏感區(qū)域覆蓋有微型半球狀透鏡陣列。該透鏡將落在成像區(qū)域中每個(gè)圖像單元(像素)上的光線(xiàn)聚焦到半導(dǎo)體的光線(xiàn)敏感區(qū)域。圖像傳感器的其它區(qū)域?qū)饩€(xiàn)不敏感,因?yàn)樗鼈兪桥c每個(gè)像素相關(guān)的一些電子元件和走線(xiàn)。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(huì)導(dǎo)致難以修復(fù)的損傷。
3.遮蓋
現(xiàn)代固態(tài)圖像傳感器上單個(gè)像素的邊長(zhǎng)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(gè)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(xué)特性而有些粘。這意味著一旦灰塵顆粒落在像素上就無(wú)法被清除。顯然,如果灰塵顆粒的大小接近像素大小,它會(huì)阻擋入射光線(xiàn),導(dǎo)致圖像上呈現(xiàn)黑色像素。人眼對(duì)圖像中的靜態(tài)缺陷非常敏感,即使單個(gè)死像素也會(huì)令人不快。
解決上述所有故障因素的有效方法是將每個(gè)圖像傳感器封裝起來(lái)。密封的封裝可以阻止?jié)駳膺_(dá)到裸片,而玻璃蓋又允許光線(xiàn)射到敏感區(qū)域,還能保護(hù)機(jī)械損傷和顆粒遮蓋。
陶瓷圖像傳感器封裝
第一代固態(tài)圖像傳感器采用陶瓷封裝(見(jiàn)圖1)。這種封裝與傳統(tǒng)半導(dǎo)體用的封裝是一樣的,除了用玻璃或石英代替?zhèn)鹘y(tǒng)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?yàn)楣苄镜撞郾仨氉銐虼蟛拍苓m應(yīng)裝配和裸片尺寸容差。另外,裸片周?chē)€有一圈焊盤(pán),從而增加了封裝的X/Y尺寸。再利用精細(xì)的金屬線(xiàn)將這些焊盤(pán)與裸片上的綁定焊盤(pán)連接起來(lái)。封裝的電氣連接是通過(guò)下側(cè)的邊或周邊引線(xiàn)或通過(guò)反面的焊盤(pán)或焊球陣列實(shí)現(xiàn)的。包含這些互連在內(nèi)的封裝總高度約為5mm。
圖1:用于固態(tài)圖像傳感器的陶瓷封裝。
從技術(shù)角度看,這類(lèi)封裝是比較理想的,而且事實(shí)上仍有許多高性能圖像傳感器(如2000萬(wàn)像素以上)在使用這種封裝。單片陶瓷基底與玻璃蓋通過(guò)金屬聯(lián)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?dú)獾忍厥鈿怏w就可以被密封在封裝里面,并保持?jǐn)?shù)十年不變。這種傳感器能很好地防止機(jī)械損傷,落在玻璃蓋上的任何灰塵顆粒必要時(shí)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(fā)生這種情況,這種缺陷也只是表現(xiàn)為較低亮度的一個(gè)區(qū)域,而且邊緣分散,人眼不太容易察覺(jué)。
這種封裝的主要缺點(diǎn)是成本和體積。即使在大批量生產(chǎn)時(shí),陶瓷封裝的單片成本通常也要用美元來(lái)計(jì)。另外,每個(gè)封裝好的圖像傳感器必須當(dāng)作獨(dú)立器件進(jìn)行組裝,因此工藝成本相對(duì)較高。對(duì)于像蜂窩電話(huà)等便攜式電子產(chǎn)品而言,陶瓷封裝就顯得太大、太厚和太貴而無(wú)法被接受。
晶圓級(jí)封裝
半導(dǎo)體的晶圓級(jí)封裝從經(jīng)濟(jì)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(shí)封裝在晶圓上,此時(shí)仍是晶圓形式,然后再釋放單獨(dú)封裝后的部件。這種方法的非凡優(yōu)勢(shì)在于工藝成本可以在晶圓上的所有合格裸片之間分擔(dān)。一片200mm直徑的圖像傳感器晶圓上一般有750到1500個(gè)裸片,因此與單獨(dú)陶瓷封裝相比,每個(gè)裸片的封裝成本可以降低一個(gè)數(shù)量級(jí)。
雖然晶圓級(jí)封裝看起來(lái)似乎很簡(jiǎn)單,但大批量生產(chǎn)所需的材料、工具和專(zhuān)業(yè)知識(shí)直到最近才真正成功實(shí)現(xiàn)。用于圖像傳感器的第一代晶圓級(jí)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(jiàn)圖2)。正面聯(lián)接用的粘合劑是專(zhuān)門(mén)挑選的,具有光學(xué)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(chēng)為球柵陣列(BGA),位于封裝的反面。在BGA和半導(dǎo)體裸片之間的連接建立方面采用了多種私有機(jī)制。包含焊球在內(nèi)的封裝總厚度約為900μm。
圖2:圖像傳感器由晶圓級(jí)成形的封裝保護(hù)。
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(gè)像素上面不使用微型透鏡。這是因?yàn)楣鈱W(xué)粘合劑的折射率要比空氣高,因此會(huì)阻礙微型透鏡的正常工作。這個(gè)問(wèn)題可以通過(guò)將正面玻璃移離裸片幾十個(gè)微米、使微型透鏡上方留出一個(gè)較小的空氣間隙來(lái)解決。這時(shí)正面玻璃只能通過(guò)環(huán)繞光線(xiàn)敏感區(qū)域的粘合劑相框附著于裸片。裸片與正面玻璃之間機(jī)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(jí)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(lái)的,因此芯片與封裝尺寸完全相同。這種特性在半導(dǎo)體封裝解決方案中是很獨(dú)特的。因此晶圓級(jí)封裝有時(shí)也被稱(chēng)為“芯片級(jí)封裝”。
第三代晶圓級(jí)封裝
目前便攜式電子設(shè)備的流行趨勢(shì)是越來(lái)越薄。同時(shí),其它國(guó)家也在大規(guī)模開(kāi)發(fā)圖像傳感器。比如汽車(chē)產(chǎn)業(yè),需要在車(chē)內(nèi)集成各種輔助駕駛裝置和中央信息控制臺(tái),這些控制臺(tái)要能顯示車(chē)輛診斷、娛樂(lè)系統(tǒng)狀態(tài)和導(dǎo)航信息。汽車(chē)設(shè)備用的圖像傳感器對(duì)可靠性的要求比手機(jī)要高得多。這是不足為奇的,因?yàn)槭謾C(jī)的平均壽命也就幾個(gè)月,常常由于推出更新款式或更好型號(hào)而不是技術(shù)問(wèn)題被更換,而典型的國(guó)產(chǎn)汽車(chē)至少要使用數(shù)年時(shí)間。另外,手機(jī)大部分在良好的環(huán)境下使用,而車(chē)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(gè)泡在水里。
雖然汽車(chē)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(hù)的圖像傳感器適合汽車(chē)應(yīng)用,但業(yè)界仍盼望更具性?xún)r(jià)比的解決方案。適合圖像傳感器的第三代晶圓級(jí)封裝應(yīng)運(yùn)而生,它不僅進(jìn)一步減小了封裝厚度,而且能夠滿(mǎn)足嚴(yán)格的汽車(chē)可靠性要求。
用于固態(tài)圖像傳感器的第三代晶圓級(jí)封裝的關(guān)鍵區(qū)別是裸片反面的玻璃板被特殊配方的聚合體所替代。對(duì)封裝結(jié)構(gòu)和工藝流程做少許修改就可以使這種聚合體聯(lián)接到正面玻璃上,從而使器件的整個(gè)外圍獲得良好的密封效果(見(jiàn)圖3)。
圖3:用于固態(tài)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(cè)墻。裸片上的綁定焊盤(pán)穿過(guò)結(jié)構(gòu)連接到封裝下側(cè)面的球柵陣列。這種技術(shù)能使封裝很容易通過(guò)汽車(chē)環(huán)境測(cè)試。取消封裝中的第二塊玻璃晶圓也就去掉了相對(duì)昂貴的組件,因此第三代晶圓級(jí)封裝比第一和第二代方案都要便宜一點(diǎn)。聚合體層也要比被它替換掉的玻璃層薄一個(gè)數(shù)量級(jí),因此第三代封裝非常適合最新最薄的便攜式電子設(shè)備使用。同時(shí),半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步導(dǎo)致了封裝厚度的穩(wěn)步降低,而且硅片裸片厚度的減少不會(huì)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(dāng)前設(shè)計(jì)中已經(jīng)降低到了接近100μm。第三代圖像傳感器封裝的總厚度現(xiàn)在已經(jīng)低于500μm。
本文小結(jié)
固態(tài)圖像傳感器必須加以封裝才能防止腐蝕、機(jī)械損傷和灰塵顆粒的遮蓋。固態(tài)圖像傳感器最初采用的是全密封、獨(dú)立封裝,但現(xiàn)在大部分已被晶圓級(jí)封裝所替代。晶圓級(jí)封裝有了很大的發(fā)展,已經(jīng)完全可以滿(mǎn)足市場(chǎng)對(duì)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(shù)可以提供低成本、芯片級(jí)的解決方案,總厚度小于500μm,完全能夠滿(mǎn)足嚴(yán)格的汽車(chē)可靠性標(biāo)準(zhǔn)要求。
作者:Giles Humpston
研發(fā)總監(jiān)
Yehudit Dagan
營(yíng)銷(xiāo)副總裁
Tessera 公司
