片相機傳統(tǒng)上是通過離散組裝制造的,這意味著每個組件都是作為一個單獨的項目制造的,必要時進行測試,然后組裝成最終的工作產(chǎn)品。固態(tài)成像的出現(xiàn)幾乎沒有改變這種方法。薄膜只是被一個光敏電子元件所取代。唯一顯著的變化是機械快門已過時,其動作在成像器芯片內(nèi)以電子方式生成。

圖 1. 在晶圓級為成像器芯片提供保護外殼的步驟

膠片相機和固態(tài)相機一直愉快地共存,直到 2001 年推出了第一款內(nèi)置相機的手機。固態(tài)攝像頭現(xiàn)在在汽車、卡車、玩具、筆記本電腦、上網(wǎng)本、機床、安全系統(tǒng)等中都有發(fā)現(xiàn)。在不到 10 年的時間里,每年生產(chǎn)的固態(tài)攝像頭數(shù)量已經(jīng)從數(shù)萬臺激增至數(shù)十億臺。

圖 2. 封裝在晶圓級封裝中的成像器芯片,該封裝使用低成本的硅通孔技術將芯片焊盤連接到封裝球柵陣列接口。

迄今為止,固態(tài)相機的最大市場仍然是移動平臺,主要是手機和緊湊型數(shù)碼相機。這些市場非常注重時尚,目前的流行趨勢是極度纖薄。雖然迄今為止,制造相機模塊的離散方法能夠提供更小、更便宜的產(chǎn)品,但這在未來可能是不可能的。物理定律限制了相機模塊可以縮小到的尺寸,而可以從制造大量離散部件并將它們組裝成產(chǎn)品的供應鏈中擠出的成本是有限的。解決這兩個問題的方法是轉向晶圓級制造。

晶圓級相機具有三個主要組件:圖像傳感器、圖像傳感器外殼和光學系統(tǒng)。

圖像傳感器

用于晶圓級相機的圖像傳感器在一個重要方面——像素尺寸——不同于傳統(tǒng)的相機傳感器。攝像頭模塊高度受像素大小的影響很大。在現(xiàn)代拍照手機中,像素為 1.4μm 的傳感器很常見,大多數(shù)成像器公司都給出了至少 0.9μm 的路線圖。

使用像素非常小的成像器的后果之一是相機模塊的產(chǎn)量可能會受到顆粒污染的嚴重影響。即使是符合規(guī)范的 10 級潔凈室環(huán)境,也包含足夠大的顆粒,如果它們滯留在傳感器表面上會導致黑色像素。這個問題的解決方案是將傳感器芯片封裝在保護外殼中,作為相機模塊制造的第一步。離散包裝將非常昂貴。然而,在一個成像器晶片上大約有 3,000 個管芯,晶片級方法導致每個管芯的封裝成本只有幾美分。

晶圓級封裝

圖像傳感器的晶圓級封裝如下進行(圖 1)。首先,在每個芯片上的光學活性區(qū)域周圍放置粘合劑的相框密封。接下來貼上蓋玻片。最后,晶片被切割以釋放單獨封裝的管芯。

晶圓級封裝為拍照手機提供了兩個非常重要的好處。顯然,該封裝提供了對周圍環(huán)境(濕度、鹽分等)的保護,并且任何落在蓋玻片上的污垢都會從焦平面上去除,不會造成圖像缺陷。其次,封裝的完美平坦的玻璃蓋是連接相機光學元件的理想基板。

圖 3. 透鏡陣列可以用圓形基透鏡 (l) 或方形基透鏡 (r) 以晶圓級制造,它們可以具有相同的間距和節(jié)距。使用傳統(tǒng)制造技術制造方形基底透鏡會很昂貴,但晶圓級制造方法對透鏡形狀不敏感。

晶圓級封裝結構的問題在于芯片正面的焊盤被困在蓋板玻璃下方并且無法接近。傳統(tǒng)的和商業(yè)上成功的解決方案是使用 SHELLCASE 互連,它有效地彎曲封裝邊緣周圍的焊盤,使其位于底部。迄今為止,已經(jīng)使用這種方法制造了超過 10 億個成像器。最近,該技術已開發(fā)用于制造硅通孔 (TSV),以將芯片焊盤連接到封裝焊盤。圖 2 顯示了一個示例。用于成像器的晶圓級封裝具有球柵陣列接口,因此可以將封裝與構建緊湊型所需的所有其他表面貼裝組件同時連接到印刷電路板相機或手機。

晶圓級光學

圖 4. 視場加寬針孔成像系統(tǒng)的光學系統(tǒng)分解透視圖。它包括一個半球透鏡、光圈盤和平凸透鏡,以及幾乎 180 度的視野和相當大的景深。基板形成平凸透鏡的一部分。請注意,這兩個鏡頭具有不同的直徑,并且可以由不同的材料制成。使用分立元件制造這種類型的光學元件是昂貴的,如果不是不可能的話。

在最簡單的形式中,晶圓級鏡頭制造涉及制作晶圓大小的母版,每個鏡頭的每個光學表面一個。每個母版都包含一組緊密排列的腔體。一種方法是使用灰度處理在光刻膠中創(chuàng)建透鏡形狀以獲得 3D 輪廓。然后固化光刻膠并涂上一層薄薄的化學鍍鎳以提高耐用性。將聚合物澆鑄在鎳上以提供機械支撐,然后去除光刻膠。玻璃板或晶片旋涂有液態(tài)聚合物。然后將母版壓入液膜中,液膜流動以填充空腔。聚合物被固化以固定鏡片形狀,使母版能夠被釋放和重復使用。不僅周期快,

有利的經(jīng)濟性并不是采用晶圓級鏡頭制造的唯一原因。該工藝可以制造出功能遠遠超出拋光玻璃或注塑成型塑料鏡片的光學元件。例如,使用晶圓級工藝制造軸對稱透鏡并不比非對稱透鏡難。當透鏡是圓形的正方形而不是圓形時,緊密排列的透鏡陣列在光學上更有效。通過比較圖 3 中的兩種情況可以看出,方形基透鏡的填充因子成比例地更高。晶圓級制造的另一個好處是每個透鏡的兩個光學表面都是使用完全獨立的工藝制成的。這意味著它們的形狀沒有物理連接,它們甚至可以是不同的尺寸。

因為母版只與液態(tài)聚合物接觸,所以它不必像注塑塑料鏡片的模具那樣堅硬。相反,主人可以是順從的,或者有點像橡膠。這使得設計具有重入特征和其他不尋常輪廓的光學表面成為可能。晶圓級透鏡的限制之一是可實現(xiàn)的透鏡下垂,對于商業(yè)光學聚合物和母版制作技術,該下垂約為 200 μm。較高的值允許相機模塊保持相同的外形尺寸,但分辨率會逐漸增加。通過開發(fā)專有材料和工藝,至少有一家公司在 8 和 12 MP(百萬像素)晶圓級相機的預生產(chǎn)樣品上展示了具有 >500um 下垂和 >50 度斜率的鏡頭。在另一個極端,

相機模塊的光學系統(tǒng)不僅僅包含鏡頭。為了正常運行,它還必須包含孔徑、紅外濾光片、瞳孔和抗反射涂層等等。所有這些組件都可以通過晶圓級的半導體處理技術來實現(xiàn)。最終結果是一個完全集成的光學組件,它具有固態(tài)相機所需的所有功能。圖 4 顯示了可以使用晶圓級透鏡制造技術實現(xiàn)的集成光學組件類型的創(chuàng)新示例。

制造光學組件的兩個非常重要的指標是對準和焦距。由于集成光學組件是使用基于半導體的工藝和設備制造的,因此可以與成像器芯片配合使用,無需手動調(diào)整焦距,從而顯著節(jié)省測試成本。

晶圓級相機

圖 5. 在晶圓級制造的固態(tài)相機,包括集成光學組件和使用 SHELLCASE 晶圓級封裝技術封裝的成像器芯片。攝像頭模塊高 2.5 毫米,具有 BGA 接口,可以使用標準的無鉛回流焊將其連接到電路板上。

制造晶圓級相機模塊需要配合晶圓級光學組件和晶圓級封裝成像器。最終產(chǎn)品如圖 5 所示。此操作的關鍵是實現(xiàn)平面和旋轉的精確對齊,以及垂直方向的精確間距和平面度。通過利用晶片級透鏡制造所帶來的新型透鏡形狀,以及在從晶片對準轉換到元件對準時降低位置誤差的敏感性,可以使用市售設備實現(xiàn)必要的公差。實際上,可以將相機模塊設計為無需實時調(diào)整焦距即可組裝。

理想情況下,每個相機模塊的組件都將在相同直徑的晶圓上制造,晶圓堆疊并粘合,然后將組件切割以生產(chǎn)單個相機模塊。目前,這不是最佳方法,因為光學元件和成像器芯片的直徑不匹配;半導體芯片大于其光學有源區(qū)域。取而代之的是,將光學晶片組合在一起,并將單獨的透鏡堆疊粘合到每個芯片上。這是唯一可能的,因為晶圓級封裝的蓋子非常平坦和水平,并且與成像器芯片完全隔開。

通過明智地選擇材料,晶圓級相機可以經(jīng)受住無鉛焊料回流循環(huán)的熱漂移。傳統(tǒng)的攝像頭模塊無法承受這些溫度,必須通過柔性引線和連接器連接到手機。這種安排昂貴且機械上不堅固,這種互連的故障是照相手機返回的主要原因之一。可回流晶圓級相機可以使用晶圓級成像器封裝底部的球柵陣列接口與使用標準表面貼裝工藝的其他組件同時連接和互連到手機的主印刷電路板。

晶圓級相機清楚地解決了成本和外形尺寸問題,但尚未對性能產(chǎn)生任何重大影響。智能光學等技術的結合可能會帶來性能改進,這些技術帶來了光學創(chuàng)新,例如連續(xù)景深、超快鏡頭和無移動部件的光學變焦。據(jù)市場分析師稱,這最終可能導致可回流焊晶圓級相機到 2012 年占據(jù)超過 30% 的市場份額。

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