手機相機模塊封裝的關鍵技巧

標簽：硅晶半導體 CMOS

硅晶半導體組件布局的最佳化儼然已成為最小化芯片面積的關鍵。這一策略提升了每一晶圓的芯片數(shù)，因而可達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)，才能完成一個固態(tài)相機模塊，因此，CMOS圖像傳感器的開發(fā)也取決于不同的經(jīng)濟考量。為達到最小體積的相機模塊，必須對硅晶布局進行折衷， 以降低組裝成本，并通過封裝創(chuàng)新來增加產(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用在各類產(chǎn)品中。以數(shù)量來看，目前最大的應用市場在移動電話所用的相機模塊，今年單單針對這項應用來看，每天就有超過兩百萬個的規(guī)模。

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

非最佳化的硅晶設計

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特的半導體組件。對于一般的半導體組件來說，芯片布局方式通常必須可為每一晶圓實現(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模塊所需的組件之一，其它關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)常使用的被動組件和去耦合電容。圖1是一個典型1.3M像素相機模塊組件的相對成本比較表。由于光學組件的成本已超出其它半導體組件成本，因此在產(chǎn)品成本和尺寸需求的驅動下，必須在硅晶布局與光學設計間進行折衷。

圖1：固態(tài)相機模塊主要組件的相對成本，通常以圖像傳感器芯片為標準

第一代圖像傳感器通常遵循標準的半導體原則制造。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。事實上，為了完成一款相機模塊，必須將鏡頭模塊集中在成像區(qū)(見圖2)。由于成像區(qū)位于芯片的一角，因此第一代相機模塊的尺寸必須大到足以包含超出芯片范圍的光學部份。

圖2：為最大化晶圓利用率所設計的圖像傳感器芯片

由于環(huán)型光學組件集中在成像區(qū)域，使得有效光學區(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模塊體積。

而今，從晶圓利用率的角度來看，現(xiàn)代的圖像感測芯片設計雖然一直不具效益，不過，至少它的成像區(qū)還位于芯片中央(見圖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，通過空間規(guī)劃為相機模塊減少了約10%的面積。

圖3：具有檢測器的成像器被集中在芯片的中心

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

降低成本、提升可靠性

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

半導體的晶圓級封裝是極具經(jīng)濟效益的，因為制程成本可平均分攤至晶圓上的有效芯片;在一個具有數(shù)千顆晶粒的200mm晶圓上，每芯片的晶圓級封裝成本僅需幾美分。晶圓級封裝尺寸是由芯片大小來決定的，由于完整的封裝芯片直接由晶圓上切割下來，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體的封裝方案，因此，晶圓級封裝有時也稱為‘芯片級封裝’。

固態(tài)圖像傳感器的光學有效區(qū)域易受機械和環(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)組等精密光學組件。圖像傳感器的晶圓級封裝可為該組件的晶圓正面覆蓋上一層玻璃晶圓，以保護這些光學結構。然而這卻造成無法連接到焊盤的問題，而無法再使用傳統(tǒng)引線接合的方法。

理論上，我們也可通過硅晶過孔的方法來與焊盤連接。然而，盡管硅穿孔(TSV)技術已經(jīng)過多年的努力，卻還是無法廣泛地為業(yè)界采用。其原因在于該方法需要投資一些專用的設備來制造過孔，而且在成本競爭的前提下，TSV互連的可靠度也尚未達到業(yè)界滿意的程度。

目前唯一已用于量產(chǎn)的晶圓級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)封裝提供了導通路徑。這種接觸方式已經(jīng)驗證可提供可靠性與耐用性，而BGA使經(jīng)過封裝的成像器可兼容于擷取和繞線的回流組裝，如同手機內(nèi)部所有組件的組裝過程一樣。無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軟性電路和連接器的需求。連接器故障一直是造成相機手機回廠維修的主因。根據(jù)Prismark的統(tǒng)計，在2006年，超過2.25億顆圖像傳感器是以邊緣接觸晶圓級封裝建置的，此外，該公司也預計，到2011年，50%以上的CMOS成像器都將采用這種封裝方式。

邊緣接觸有一個小小的缺點，即晶圓上的芯片必需預留比平常更寬的空間，才能為架構開發(fā)預留路徑。這樣一來，每一晶圓上所能實現(xiàn)的最大芯片數(shù)就減少了，單位成本也相對地略為提升。最新一代用于圖像傳感器的晶圓級封裝，采用過孔穿過焊盤(via-through-pad)的互連技術解決了上述問題。圖4為一個類似的案例。該互連仍采用邊緣接觸的技術，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計規(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，使這種晶圓級封裝方式直接兼容于與大部份的現(xiàn)有CMOS成像器。