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解决方案:新一代晶圆级封装技术解决图像传感器面临的各种挑战 -
    

  固态图像传感器要求在环境大气中得到有效防护。第一代图像传感器安装在带玻璃盖的标准半导体封装中。这种技术能使裸片得到很好的密封和异常坚固的保护,但体积比较庞大,制造本钱也比较高。引进晶圆级封装后,制造工艺本钱可以被晶圆上的所有合格裸片共同分担,因此本钱有了明显降低,封装厚度也几乎减小了一个数目级。材料、装配工艺和半导体技术的不断创新将使这一趋势得以继续。现代固态图像传感器已经成为日常用品,总的封装厚度只有数百个微米,甚至能够满足汽车可靠性要求。

  固态图像传感器

  固态图像传感器是一种建立在硅片晶圆之上的相当传统的半导体裸片,每个裸片都有一个光敏感区域。为了确保长使用寿命,图像传感器裸片要求隔离于环境大气。引起故障的主要原因包括:

  1.腐蚀

  空气,或者更正确地讲是正常空气中所含的湿气,会极度腐蚀半导体的裸片。功能性半导体是一种非常复杂的多层组件,最外层是非常精细的铝制母线条。金属铝拥有非常高的电位势,当与其它金属接触并在有湿气的情况下组成回路时将发生快速的腐蚀效应。而根据功能需要,半导体的外部连线一般都会采用铝以外的金属制作,因此永远保持图像传感器裸片的干燥是非常重要的。

  2.机械损伤

  图像传感器的光敏感区域覆盖有微型半球状透镜阵列。该透镜将落在成像区域中每个图像单元(像素)上的光线聚焦到半导体的光线敏感区域。图像传感器的其它区域对光线不敏感,由于它们是与每个像素相关的一些电子元件和走线。这些微型透镜采用软性聚合体材料,非常精密,任何物理接触都会导致难以修复的损伤。

  3.遮盖

  现代固态图像传感器上单个像素的边长通常只有3μm,甚至更小,与普通空气中的灰尘颗粒相比要小得多。而位于每个像素上面的微型透镜不仅软和轻易受损,而且由于静电充电和表面化学特性而有些粘。这意味着一旦灰尘颗粒落在像素上就无法被清除。显然,假如灰尘颗粒的大小接近像素大小,它会阻挡进射光线,导致图像上呈现玄色像素。人眼对图像中的静态缺陷非常敏感,即使单个死像素也会令人不快。

  解决上述所有故障因素的有效方法是将每个图像传感器封装起来。密封的封装可以阻止湿气达到裸片,而玻璃盖又答应光线射到敏感区域,还能保护机械损伤和颗粒遮盖。

  陶瓷图像传感器封装

  这种封装与传统半导体用的封装是一样的,除了用玻璃或石英代替传统的金属或陶瓷盖。封装的四壁和基座约1mm厚,盖子约500μm厚。陶瓷封装体积非常大,这是由于管芯底槽必须足够大才能适应装配和裸片尺寸容差。另外,裸片四周还有一圈焊盘,从而增加了封装的X/Y尺寸。再利用精细的金属线将这些焊盘与裸片上的绑定焊盘连接起来。封装的电气连接是通过下侧的边或周边引线或通过反面的焊盘或焊球阵列实现的。包含这些互连在内的封装总高度约为5mm。

  从技术角度看,这类封装是比较理想的,而且事实上仍有很多高性能图像传感器(如2000万像素以上)在使用这种封装。单片陶瓷基底与玻璃盖通过金属联接工艺装配在一起可以确保封装的完好密封性能。这样,像干燥的氮气等特殊气体就可以被密封在封装里面,并保持数十年不变。这种传感器能很好地防止机械损伤,落在玻璃盖上的任何灰尘颗粒必要时都可以很轻易擦试或清洗干净。另外,由于玻璃盖与微型透镜还隔一定的间隔,因此能在图像上造成明显缺陷的灰尘颗粒需要足够大才行。即使发生这种情况,这种缺陷也只是表现为较低亮度的一个区域,而且边沿分散,人眼不太轻易察觉。

  这种封装的主要缺点是本钱和体积。即使在大批量生产时,陶瓷封装的单片本钱通常也要用美元来计。另外,每个封装好的图像传感器必须当作独立器件进行组装,因此工艺本钱相对较高。对于像蜂窝电话等便携式电子产品而言,陶瓷封装就显得太大、太厚和太贵而无法被接受。

  晶圆级封装

  半导体的晶圆级封装从经济性角度看是非常吸引人的。这种方法的基本原理是将所有裸片同时封装在晶圆上,此时还是晶圆形式,然后再开释单独封装后的部件。这种方法的非凡上风在于工艺本钱可以在晶圆上的所有合格裸片之间分担。一片200mm直径的图像传感器晶圆上一般有750到1500个裸片,因此与单独陶瓷封装相比,每个裸片的封装本钱可以降低一个数目级。

  固然晶圆级封装看起来似乎很简单,但大批量生产所需的材料、五金|工具|工具和专业知识直到最近才真正成功实现。用于图像传感器的第一代晶圆级封装涉及将一块玻璃晶圆绑定到图像传感器的正面,将第二块玻璃晶圆绑定到反面(见图2)。正面联接用的粘合剂是专门挑选的,具有光学透明特性。封装横截面的均匀性确保所有的受力是均衡的。裸片的电接口是焊球阵列,也称为球栅阵列(BGA),位于封装的反面。在BGA和半导体裸片之间的连接建立方面采用了多种私有机制。包含焊球在内的封装总厚度约为900μm。

    所示的封装只适合低分辨率的图像传感器,如CIF器件,这种器件在每个像素上面不使用微型透镜。这是由于光学粘合剂的折射率要比空气高,因此会阻碍微型透镜的正常工作。这个题目可以通过将正面玻璃移离裸片几十个微米、使微型透镜上方留出一个较小的空气间隙来解决。这时正面玻璃只能通过环绕光线敏感区域的粘合剂相框附着于裸片。裸片与正面玻璃之间机械耦合的减弱能使裸片反面玻璃减小约一半的厚度,从而使总的封装高度降低到约700μm。

  晶圆级封装的尺寸理论上受限于裸片尺寸。由于完整封装是直接从晶圆上切割下来的,因此芯片与封装尺寸完全相同。这种特性在半导体封装解决方案中是很独特的。因此晶圆级封装有时也被称为“芯片级封装”。

  第三代晶圆级封装

  目前便携式电子设备的流行趋势是越来越薄。同时,其它国家也在大规模开发图像传感器。比如汽车产业,需要在车内集成各种辅助驾驶装置和中心信息控制台,这些控制台要能显示车辆诊断、娱乐系统状态和导航信息。汽车设备用的图像传感器对可靠性的要求比手机要高得多。这是不足为奇的,由于手机的均匀寿命也就几个月,经常由于推出更新款式或更好型号而不是技术题目被更换,而典型的国产汽车至少要使用数年时间。另外,手机大部分在良好的环境下使用,而车载图像传感器要暴露在特殊的天气条件下,包括周期性地整个泡在水里。

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