手機(jī)相機(jī)模塊封裝的關(guān)鍵技巧

標(biāo)簽：硅晶半導(dǎo)體 CMOS

硅晶半導(dǎo)體組件布局的最佳化儼然已成為最小化芯片面積的關(guān)鍵。這一策略提升了每一晶圓的芯片數(shù)，因而可達(dá)到最小化的單位成本。由于CMOS圖像傳感器必須搭配鏡頭模塊(lens train)，才能完成一個(gè)固態(tài)相機(jī)模塊，因此，CMOS圖像傳感器的開(kāi)發(fā)也取決于不同的經(jīng)濟(jì)考量。為達(dá)到最小體積的相機(jī)模塊，必須對(duì)硅晶布局進(jìn)行折衷， 以降低組裝成本，并通過(guò)封裝創(chuàng)新來(lái)增加產(chǎn)品可靠性。

固態(tài)圖像傳感器

固態(tài)圖像傳感器正廣泛地應(yīng)用在各類產(chǎn)品中。以數(shù)量來(lái)看，目前最大的應(yīng)用市場(chǎng)在移動(dòng)電話所用的相機(jī)模塊，今年單單針對(duì)這項(xiàng)應(yīng)用來(lái)看，每天就有超過(guò)兩百萬(wàn)個(gè)的規(guī)模。

大多數(shù)的固態(tài)圖像傳感器都是基于CMOS技術(shù)，因?yàn)镃MOS技術(shù)能提供比電荷耦合組件(CCD)技術(shù)更高整合的方案。CMOS圖像傳感器包含一個(gè)能提供光電轉(zhuǎn)換功能的2D太陽(yáng)能電池?cái)?shù)組以及許多用于影像、接口和電源管理的其它電子模塊。

非最佳化的硅晶設(shè)計(jì)

由于CMOS芯片布局并未受到最大化晶圓利用率需求的影響，因而或許可算是一種獨(dú)特的半導(dǎo)體組件。對(duì)于一般的半導(dǎo)體組件來(lái)說(shuō)，芯片布局方式通常必須可為每一晶圓實(shí)現(xiàn)最大化芯片數(shù)量，以便最小化芯片的單位制造成本。然而，圖像傳感器僅僅是相機(jī)模塊所需的組件之一，其它關(guān)鍵零組件還包括鏡頭模塊、可調(diào)式鏡頭外殼、紅外線濾波器、載板，以及經(jīng)常使用的被動(dòng)組件和去耦合電容。圖1是一個(gè)典型1.3M像素相機(jī)模塊組件的相對(duì)成本比較表。由于光學(xué)組件的成本已超出其它半導(dǎo)體組件成本，因此在產(chǎn)品成本和尺寸需求的驅(qū)動(dòng)下，必須在硅晶布局與光學(xué)設(shè)計(jì)間進(jìn)行折衷。

圖1：固態(tài)相機(jī)模塊主要組件的相對(duì)成本，通常以圖像傳感器芯片為標(biāo)準(zhǔn)

第一代圖像傳感器通常遵循標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體原則制造。最佳化的芯片布局要求成像區(qū)必須位于靠近芯片的一角，以便能將電子區(qū)塊整合在一起。事實(shí)上，為了完成一款相機(jī)模塊，必須將鏡頭模塊集中在成像區(qū)(見(jiàn)圖2)。由于成像區(qū)位于芯片的一角，因此第一代相機(jī)模塊的尺寸必須大到足以包含超出芯片范圍的光學(xué)部份。

圖2：為最大化晶圓利用率所設(shè)計(jì)的圖像傳感器芯片

由于環(huán)型光學(xué)組件集中在成像區(qū)域，使得有效光學(xué)區(qū)域位于芯片一角，而電子組件則集中一同利用較大的相機(jī)模塊體積。

而今，從晶圓利用率的角度來(lái)看，現(xiàn)代的圖像感測(cè)芯片設(shè)計(jì)雖然一直不具效益，不過(guò)，至少它的成像區(qū)還位于芯片中央(見(jiàn)圖3)。在其它各種因素都一樣的情況下，該芯片約比上一代芯片大了8%，但它的鏡頭模塊被整齊地安置在芯片上，通過(guò)空間規(guī)劃為相機(jī)模塊減少了約10%的面積。

圖3：具有檢測(cè)器的成像器被集中在芯片的中心

雖然圖3硅晶實(shí)體上大于上一代芯片，但最終所實(shí)現(xiàn)的相機(jī)模塊體積卻更小。

降低成本、提升可靠性

將電子區(qū)塊分布在主動(dòng)式成像區(qū)所帶來(lái)的好處是，它迫使芯片焊盤被分布在芯片外圍。這種簡(jiǎn)單的變化是為了讓CMOS圖像傳感器與晶圓級(jí)封裝兼容。晶圓級(jí)封裝早在2000年即已商業(yè)化。

半導(dǎo)體的晶圓級(jí)封裝是極具經(jīng)濟(jì)效益的，因?yàn)橹瞥坛杀究善骄謹(jǐn)傊辆A上的有效芯片;在一個(gè)具有數(shù)千顆晶粒的200mm晶圓上，每芯片的晶圓級(jí)封裝成本僅需幾美分。晶圓級(jí)封裝尺寸是由芯片大小來(lái)決定的，由于完整的封裝芯片直接由晶圓上切割下來(lái)，使得芯片尺寸也就等同于封裝尺寸。這種特性有別于一般半導(dǎo)體的封裝方案，因此，晶圓級(jí)封裝有時(shí)也稱為‘芯片級(jí)封裝’。

固態(tài)圖像傳感器的光學(xué)有效區(qū)域易受機(jī)械和環(huán)境的破壞，主要原因在于其表面覆蓋著如彩色濾光片和微鏡頭數(shù)組等精密光學(xué)組件。圖像傳感器的晶圓級(jí)封裝可為該組件的晶圓正面覆蓋上一層玻璃晶圓，以保護(hù)這些光學(xué)結(jié)構(gòu)。然而這卻造成無(wú)法連接到焊盤的問(wèn)題，而無(wú)法再使用傳統(tǒng)引線接合的方法。

理論上，我們也可通過(guò)硅晶過(guò)孔的方法來(lái)與焊盤連接。然而，盡管硅穿孔(TSV)技術(shù)已經(jīng)過(guò)多年的努力，卻還是無(wú)法廣泛地為業(yè)界采用。其原因在于該方法需要投資一些專用的設(shè)備來(lái)制造過(guò)孔，而且在成本競(jìng)爭(zhēng)的前提下，TSV互連的可靠度也尚未達(dá)到業(yè)界滿意的程度。

目前唯一已用于量產(chǎn)的晶圓級(jí)封裝方案是邊緣接觸(edge contact)。正如其名，用于接觸的部分被置于焊盤邊緣，而線路軌線則為球門陣列(BGA)封裝提供了導(dǎo)通路徑。這種接觸方式已經(jīng)驗(yàn)證可提供可靠性與耐用性，而B(niǎo)GA使經(jīng)過(guò)封裝的成像器可兼容于擷取和繞線的回流組裝，如同手機(jī)內(nèi)部所有組件的組裝過(guò)程一樣。無(wú)接腳表面粘著組裝的兼容性免除了必須將成像器整合于手機(jī)軟性電路和連接器的需求。連接器故障一直是造成相機(jī)手機(jī)回廠維修的主因。根據(jù)Prismark的統(tǒng)計(jì)，在2006年，超過(guò)2.25億顆圖像傳感器是以邊緣接觸晶圓級(jí)封裝建置的，此外，該公司也預(yù)計(jì)，到2011年，50%以上的CMOS成像器都將采用這種封裝方式。

邊緣接觸有一個(gè)小小的缺點(diǎn)，即晶圓上的芯片必需預(yù)留比平常更寬的空間，才能為架構(gòu)開(kāi)發(fā)預(yù)留路徑。這樣一來(lái)，每一晶圓上所能實(shí)現(xiàn)的最大芯片數(shù)就減少了，單位成本也相對(duì)地略為提升。最新一代用于圖像傳感器的晶圓級(jí)封裝，采用過(guò)孔穿過(guò)焊盤(via-through-pad)的互連技術(shù)解決了上述問(wèn)題。圖4為一個(gè)類似的案例。該互連仍采用邊緣接觸的技術(shù)，但在焊盤區(qū)域內(nèi)以整齊的放射狀呈現(xiàn)。此舉不僅可在硅晶設(shè)計(jì)規(guī)則允許的條件下使芯片切割信道更窄，還去除了許多焊盤尺寸、間距和位置方面的限制，使這種晶圓級(jí)封裝方式直接兼容于與大部份的現(xiàn)有CMOS成像器。