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
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/165262.htm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(yīng)用在各類產(chǎn)品中。以數(shù)量來看,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)用來看,每天就有超過兩百萬個(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)體組件來說,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,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(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(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(shù)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(shè)備來制造過孔,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(jī)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(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)開發(fā)預(yù)留路徑。這樣一來,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,采用過孔穿過焊盤(via-through-pad)的互連技術(shù)解決了上述問題。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。
評(píng)論