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新一代晶圆级封装技术解决图像传感器面临的各种挑战 |
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作者：Giles Humpston |
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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，制造成本也比较高。引入晶圆级封装后，制造工艺成本可以被晶圆上的所有合格裸片共同分担，因此成本有了显著降低，封装厚度也几乎减小了一个数量级。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，或者更准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，因为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容易受损，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，如果灰尘颗粒的大小接近像素大小，它会阻挡入射光线，导致图像上呈现黑色像素。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，而玻璃盖又允许光线射到敏感区域，还能保护机械损伤和颗粒遮盖。
陶瓷图像传感器封装
第一代固态图像传感器采用陶瓷封装(见图1)。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，这是因为管芯底槽必须足够大才能适应装配和裸片尺寸容差。另外，裸片周围还有一圈焊盘，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。 
图1：用于固态图像传感器的陶瓷封装
从技术角度看，这类封装是比较理想的，而且事实上仍有许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容易擦试或清洗干净。另外，由于玻璃盖与微型透镜还隔一定的距离，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，而且边缘分散，人眼不太容易察觉。
这种封装的主要缺点是成本和体积。即使在大批量生产时，陶瓷封装的单片成本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，因此工艺成本相对较高。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，此时仍是晶圆形式，然后再释放单独封装后的部件。这种方法的非凡优势在于工艺成本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，每个裸片的封装成本可以降低一个数量级。
虽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、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。 
图2：图像传感器由晶圆级成形的封装保护
如图2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。这是因为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。这个问题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央信息控制台，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，因为手机的平均寿命也就几个月，常常由于推出更新款式或更好型号而不是技术问题被更换，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气候条件下，包括周期性地整个泡在水里。
虽然汽车用的图像传感器不受大小和重量的限制，但其集成受成本影响比较大。因此，虽然有陶瓷封装保护的图像传感器适合汽车应用，但业界仍盼望更具性价比的解决方案。适合图像传感器的第三代晶圆级封装应运而生，它不仅进一步减小了封装厚度，而且能够满足严格的汽车可靠性要求。
用于固态图像传感器的第三代晶圆级封装的关键区别是裸片反面的玻璃板被特殊配方的聚合体所替代。对封装结构和工艺流程做少许修改就可以使这种聚合体联接到正面玻璃上，从而使器件的整个外围获得良好的密封效果(见图3)。
图3：用于固态图像传感器的第三代晶圆极封装
图中用绿色表示的间隔墙提供了微型透镜和玻璃罩之间的空隙。很薄的聚合体层提供了裸片反面的完整密封，并为玻璃罩提供了封装侧墙。裸片上的绑定焊盘穿过结构连接到封装下侧面的球栅阵列。这种技术能使封装很容易通过汽车环境测试。取消封装中的第二块玻璃晶圆也就去掉了相对昂贵的组件，因此第三代晶圆级封装比第一和第二代方案都要便宜一点。聚合体层也要比被它替换掉的玻璃层薄一个数量级，因此第三代封装非常适合最新最薄的便携式电子设备使用。同时，半导体技术的进步导致了封装厚度的稳步降低，而且硅片裸片厚度的减少不会牺牲传感器的性能。第一代图像传感器要求的硅片厚度约500μm，这一条件在当前设计中已经降低到了接近100μm。第三代图像传感器封装的总厚度现在已经低于500μm。
本文小结
固态图像传感器必须加以封装才能防止腐蚀、机械损伤和灰尘颗粒的遮盖。固态图像传感器最初采用的是全密封、独立封装，但现在大部分已被晶圆级封装所替代。晶圆级封装有了很大的发展，已经完全可以满足市场对更薄、更便宜和更可靠封装的图像传感器的要求。最新一代的技术可以提供低成本、芯片级的解决方案，总厚度小于500μm，完全能够满足严格的汽车可靠性标准要求。
作者：Giles Humpston Tessera 公司 研发总监
Yehudit Dagan Tessera 公司 营销副总裁 (end)
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(11/28/2007) |
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