片相机传统上是通过离散组装制造的,这意味着每个组件都是作为一个单独的项目制造的,必要时进行测试,然后组装成最终的工作产品。固态成像的出现几乎没有改变这种方法。薄膜只是被一个光敏电子元件所取代。唯一显着的变化是机械快门已过时,其动作在成像器芯片内以电子方式生成。

图 1. 在晶圆级为成像器芯片提供保护外壳的步骤

胶片相机和固态相机一直愉快地共存,直到 2001 年推出了第一款内置相机的手机。固态摄像头现在在汽车、卡车、玩具、笔记本电脑、上网本、机床、安全系统等中都有发现。在不到 10 年的时间里,每年生产的固态摄像头数量已经从数万台激增至数十亿台。

图 2. 封装在晶圆级封装中的成像器芯片,该封装使用低成本的硅通孔技术将芯片焊盘连接到封装球栅阵列接口。

迄今为止,固态相机的最大市场仍然是移动平台,主要是手机和紧凑型数码相机。这些市场非常注重时尚,目前的流行趋势是极度纤薄。虽然迄今为止,制造相机模块的离散方法能够提供更小、更便宜的产品,但这在未来可能是不可能的。物理定律限制了相机模块可以缩小到的尺寸,而可以从制造大量离散部件并将它们组装成产品的供应链中挤出的成本是有限的。解决这两个问题的方法是转向晶圆级制造。

晶圆级相机具有三个主要组件:图像传感器、图像传感器外壳和光学系统。

图像传感器

用于晶圆级相机的图像传感器在一个重要方面——像素尺寸——不同于传统的相机传感器。摄像头模块高度受像素大小的影响很大。在现代拍照手机中,像素为 1.4μm 的传感器很常见,大多数成像器公司都给出了至少 0.9μm 的路线图。

使用像素非常小的成像器的后果之一是相机模块的产量可能会受到颗粒污染的严重影响。即使是符合规范的 10 级洁净室环境,也包含足够大的颗粒,如果它们滞留在传感器表面上会导致黑色像素。这个问题的解决方案是将传感器芯片封装在保护外壳中,作为相机模块制造的第一步。离散包装将非常昂贵。然而,在一个成像器晶片上大约有 3,000 个管芯,晶片级方法导致每个管芯的封装成本只有几美分。

晶圆级封装

图像传感器的晶圆级封装如下进行(图 1)。首先,在每个芯片上的光学活性区域周围放置粘合剂的相框密封。接下来贴上盖玻片。最后,晶片被切割以释放单独封装的管芯。

晶圆级封装为拍照手机提供了两个非常重要的好处。显然,该封装提供了对周围环境(湿度、盐分等)的保护,并且任何落在盖玻片上的污垢都会从焦平面上去除,不会造成图像缺陷。其次,封装的完美平坦的玻璃盖是连接相机光学元件的理想基板。

图 3. 透镜阵列可以用圆形基透镜 (l) 或方形基透镜 (r) 以晶圆级制造,它们可以具有相同的间距和节距。使用传统制造技术制造方形基底透镜会很昂贵,但晶圆级制造方法对透镜形状不敏感。

晶圆级封装结构的问题在于芯片正面的焊盘被困在盖板玻璃下方并且无法接近。传统的和商业上成功的解决方案是使用 SHELLCASE 互连,它有效地弯曲封装边缘周围的焊盘,使其位于底部。迄今为止,已经使用这种方法制造了超过 10 亿个成像器。最近,该技术已开发用于制造硅通孔 (TSV),以将芯片焊盘连接到封装焊盘。图 2 显示了一个示例。用于成像器的晶圆级封装具有球栅阵列接口,因此可以将封装与构建紧凑型所需的所有其他表面贴装组件同时连接到印刷电路板相机或手机。

晶圆级光学

图 4. 视场加宽针孔成像系统的光学系统分解透视图。它包括一个半球透镜、光圈盘和平凸透镜,以及几乎 180 度的视野和相当大的景深。基板形成平凸透镜的一部分。请注意,这两个镜头具有不同的直径,并且可以由不同的材料制成。使用分立元件制造这种类型的光学元件是昂贵的,如果不是不可能的话。

在最简单的形式中,晶圆级镜头制造涉及制作晶圆大小的母版,每个镜头的每个光学表面一个。每个母版都包含一组紧密排列的腔体。一种方法是使用灰度处理在光刻胶中创建透镜形状以获得 3D 轮廓。然后固化光刻胶并涂上一层薄薄的化学镀镍以提高耐用性。将聚合物浇铸在镍上以提供机械支撑,然后去除光刻胶。玻璃板或晶片旋涂有液态聚合物。然后将母版压入液膜中,液膜流动以填充空腔。聚合物被固化以固定镜片形状,使母版能够被释放和重复使用。不仅周期快,

有利的经济性并不是采用晶圆级镜头制造的唯一原因。该工艺可以制造出功能远远超出抛光玻璃或注塑成型塑料镜片的光学元件。例如,使用晶圆级工艺制造轴对称透镜并不比非对称透镜难。当透镜是圆形的正方形而不是圆形时,紧密排列的透镜阵列在光学上更有效。通过比较图 3 中的两种情况可以看出,方形基透镜的填充因子成比例地更高。晶圆级制造的另一个好处是每个透镜的两个光学表面都是使用完全独立的工艺制成的。这意味着它们的形状没有物理连接,它们甚至可以是不同的尺寸。

因为母版只与液态聚合物接触,所以它不必像注塑塑料镜片的模具那样坚硬。相反,主人可以是顺从的,或者有点像橡胶。这使得设计具有重入特征和其他不寻常轮廓的光学表面成为可能。晶圆级透镜的限制之一是可实现的透镜下垂,对于商业光学聚合物和母版制作技术,该下垂约为 200 μm。较高的值允许相机模块保持相同的外形尺寸,但分辨率会逐渐增加。通过开发专有材料和工艺,至少有一家公司在 8 和 12 MP(百万像素)晶圆级相机的预生产样品上展示了具有 >500um 下垂和 >50 度斜率的镜头。在另一个极端,

相机模块的光学系统不仅仅包含镜头。为了正常运行,它还必须包含孔径、红外滤光片、瞳孔和抗反射涂层等等。所有这些组件都可以通过晶圆级的半导体处理技术来实现。最终结果是一个完全集成的光学组件,它具有固态相机所需的所有功能。图 4 显示了可以使用晶圆级透镜制造技术实现的集成光学组件类型的创新示例。

制造光学组件的两个非常重要的指标是对准和焦距。由于集成光学组件是使用基于半导体的工艺和设备制造的,因此可以与成像器芯片配合使用,无需手动调整焦距,从而显着节省测试成本。

晶圆级相机

图 5. 在晶圆级制造的固态相机,包括集成光学组件和使用 SHELLCASE 晶圆级封装技术封装的成像器芯片。摄像头模块高 2.5 毫米,具有 BGA 接口,可以使用标准的无铅回流焊将其连接到电路板上。

制造晶圆级相机模块需要配合晶圆级光学组件和晶圆级封装成像器。最终产品如图 5 所示。此操作的关键是实现平面和旋转的精确对齐,以及垂直方向的精确间距和平面度。通过利用晶片级透镜制造所带来的新型透镜形状,以及在从晶片对准转换到元件对准时降低位置误差的敏感性,可以使用市售设备实现必要的公差。实际上,可以将相机模块设计为无需实时调整焦距即可组装。

理想情况下,每个相机模块的组件都将在相同直径的晶圆上制造,晶圆堆叠并粘合,然后将组件切割以生产单个相机模块。目前,这不是最佳方法,因为光学元件和成像器芯片的直径不匹配;半导体芯片大于其光学有源区域。取而代之的是,将光学晶片组合在一起,并将单独的透镜堆叠粘合到每个芯片上。这是唯一可能的,因为晶圆级封装的盖子非常平坦和水平,并且与成像器芯片完全隔开。

通过明智地选择材料,晶圆级相机可以经受住无铅焊料回流循环的热漂移。传统的摄像头模块无法承受这些温度,必须通过柔性引线和连接器连接到手机。这种安排昂贵且机械上不坚固,这种互连的故障是照相手机返回的主要原因之一。可回流晶圆级相机可以使用晶圆级成像器封装底部的球栅阵列接口与使用标准表面贴装工艺的其他组件同时连接和互连到手机的主印刷电路板。

晶圆级相机清楚地解决了成本和外形尺寸问题,但尚未对性能产生任何重大影响。智能光学等技术的结合可能会带来性能改进,这些技术带来了光学创新,例如连续景深、超快镜头和无移动部件的光学变焦。据市场分析师称,这最终可能导致可回流焊晶圆级相机到 2012 年占据超过 30% 的市场份额。

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