固態(tài)圖像傳感器要求在環(huán)境大氣中得到有效防護(hù)。第一代圖像傳感器安裝在帶玻璃蓋的標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體封裝中。這種技術(shù)能使裸片得到很好的密封和異常堅(jiān)固的保護(hù)，但體積比較龐大，制造成本也比較高。引入晶圓級封裝后，制造工藝成本可以被晶圓上的所有合格裸片共同分擔(dān)，因此成本有了顯著降低，封裝厚度也幾乎減小了一個(gè)數(shù)量級。材料、裝配工藝和半導(dǎo)體技術(shù)的不斷創(chuàng)新將使這一趨勢得以繼續(xù)�，F(xiàn)代固態(tài)圖像傳感器已經(jīng)成為日常用品，總的封裝厚度只有數(shù)百個(gè)微米，甚至能夠滿足汽車可靠性要求。

　　固態(tài)圖像傳感器

　　固態(tài)圖像傳感器是一種建立在硅片晶圓之上的相當(dāng)傳統(tǒng)的半導(dǎo)體裸片，每個(gè)裸片都有一個(gè)光敏感區(qū)域。為了確保長使用壽命，圖像傳感器裸片要求隔離于環(huán)境大氣。引起故障的主要原因包括：

　　1.腐蝕

　　空氣，或者更準(zhǔn)確地講是正�？諝庵兴�含的濕氣，會(huì)極度腐蝕半導(dǎo)體的裸片。功能性半導(dǎo)體是一種非常復(fù)雜的多層組件，最外層是非常精細(xì)的鋁制母線條。金屬鋁擁有非常高的電位勢，當(dāng)與其它金屬接觸并在有濕氣的情況下組成回路時(shí)將發(fā)生快速的腐蝕效應(yīng)。而根據(jù)功能需要，半導(dǎo)體的外部連線一般都會(huì)采用鋁以外的金屬制作，因此永遠(yuǎn)保持圖像傳感器裸片的干燥是非常重要的。

　　2.機(jī)械損傷

　　圖像傳感器的光敏感區(qū)域覆蓋有微型半球狀透鏡陣列。該透鏡將落在成像區(qū)域中每個(gè)圖像單元(像素)上的光線聚焦到半導(dǎo)體的光線敏感區(qū)域。圖像傳感器的其它區(qū)域?qū)�光線不敏感，因?yàn)樗鼈兪桥c每個(gè)像素相關(guān)的一些電子元件和走線。這些微型透鏡采用軟性聚合體材料，非常精密，任何物理接觸都會(huì)導(dǎo)致難以修復(fù)的損傷。

　　3.遮蓋

　　現(xiàn)代固態(tài)圖像傳感器上單個(gè)像素的邊長通常只有3μm，甚至更小，與普通空氣中的灰塵顆粒相比要小得多。而位于每個(gè)像素上面的微型透鏡不僅軟和容易受損，而且由于靜電充電和表面化學(xué)特性而有些粘。這意味著一旦灰塵顆粒落在像素上就無法被清除。顯然，如果灰塵顆粒的大小接近像素大小，它會(huì)阻擋入射光線，導(dǎo)致圖像上呈現(xiàn)黑色像素。人眼對圖像中的靜態(tài)缺陷非常敏感，即使單個(gè)死像素也會(huì)令人不快。

　　解決上述所有故障因素的有效方法是將每個(gè)圖像傳感器封裝起來。密封的封裝可以阻止?jié)駳膺_(dá)到裸片，而玻璃蓋又允許光線射到敏感區(qū)域，還能保護(hù)機(jī)械損傷和顆粒遮蓋。

　　陶瓷圖像傳感器封裝

　　這種封裝與傳統(tǒng)半導(dǎo)體用的封裝是一樣的，除了用玻璃或石英代替?zhèn)鹘y(tǒng)的金屬或陶瓷蓋。封裝的四壁和基座約1mm厚，蓋子約500μm厚。陶瓷封裝體積非常大，這是因?yàn)楣苄镜撞郾仨氉銐虼蟛拍苓m應(yīng)裝配和裸片尺寸容差。另外，裸片周圍還有一圈焊盤，從而增加了封裝的X/Y尺寸。再利用精細(xì)的金屬線將這些焊盤與裸片上的綁定焊盤連接起來。封裝的電氣連接是通過下側(cè)的邊或周邊引線或通過反面的焊盤或焊球陣列實(shí)現(xiàn)的。包含這些互連在內(nèi)的封裝總高度約為5mm。

　　從技術(shù)角度看，這類封裝是比較理想的，而且事實(shí)上仍有許多高性能圖像傳感器(如2000萬像素以上)在使用這種封裝。單片陶瓷基底與玻璃蓋通過金屬聯(lián)接工藝裝配在一起可以確保封裝的完好密封性能。這樣，像干燥的氮?dú)獾忍厥鈿怏w就可以被密封在封裝里面，并保持?jǐn)?shù)十年不變。這種傳感器能很好地防止機(jī)械損傷，落在玻璃蓋上的任何灰塵顆粒必要時(shí)都可以很容易擦試或清洗干凈。另外，由于玻璃蓋與微型透鏡還隔一定的距離，因此能在圖像上造成明顯缺陷的灰塵顆粒需要足夠大才行。即使發(fā)生這種情況，這種缺陷也只是表現(xiàn)為較低亮度的一個(gè)區(qū)域，而且邊緣分散，人眼不太容易察覺。

　　這種封裝的主要缺點(diǎn)是成本和體積。即使在大批量生產(chǎn)時(shí)，陶瓷封裝的單片成本通常也要用美元來計(jì)。另外，每個(gè)封裝好的圖像傳感器必須當(dāng)作獨(dú)立器件進(jìn)行組裝，因此工藝成本相對較高。對于像蜂窩電話等便攜式電子產(chǎn)品而言，陶瓷封裝就顯得太大、太厚和太貴而無法被接受。

　　晶圓級封裝

　　半導(dǎo)體的晶圓級封裝從經(jīng)濟(jì)性角度看是非常吸引人的。這種方法的基本原理是將所有裸片同時(shí)封裝在晶圓上，此時(shí)仍是晶圓形式，然后再釋放單獨(dú)封裝后的部件。這種方法的非凡優(yōu)勢在于工藝成本可以在晶圓上的所有合格裸片之間分擔(dān)。一片200mm直徑的圖像傳感器晶圓上一般有750到1500個(gè)裸片，因此與單獨(dú)陶瓷封裝相比，每個(gè)裸片的封裝成本可以降低一個(gè)數(shù)量級。

　　雖然晶圓級封裝看起來似乎很簡單，但大批量生產(chǎn)所需的材料、五金|工具|工具和專業(yè)知識直到最近才真正成功實(shí)現(xiàn)。用于圖像傳感器的第一代晶圓級封裝涉及將一塊玻璃晶圓綁定到圖像傳感器的正面，將第二塊玻璃晶圓綁定到反面(見圖2)。正面聯(lián)接用的粘合劑是專門挑選的，具有光學(xué)透明特性。封裝橫截面的均勻性確保所有的受力是均衡的。裸片的電接口是焊球陣列，也稱為球柵陣列(BGA)，位于封裝的反面。在BGA和半導(dǎo)體裸片之間的連接建立方面采用了多種私有機(jī)制。包含焊球在內(nèi)的封裝總厚度約為900μm。

   　所示的封裝只適合低分辨率的圖像傳感器，如CIF器件，這種器件在每個(gè)像素上面不使用微型透鏡。這是因?yàn)楣鈱W(xué)粘合劑的折射率要比空氣高，因此會(huì)阻礙微型透鏡的正常工作。這個(gè)問題可以通過將正面玻璃移離裸片幾十個(gè)微米、使微型透鏡上方留出一個(gè)較小的空氣間隙來解決。這時(shí)正面玻璃只能通過環(huán)繞光線敏感區(qū)域的粘合劑相框附著于裸片。裸片與正面玻璃之間機(jī)械耦合的減弱能使裸片反面玻璃減小約一半的厚度，從而使總的封裝高度降低到約700μm。

　　晶圓級封裝的尺寸理論上受限于裸片尺寸。由于完整封裝是直接從晶圓上切割下來的，因此芯片與封裝尺寸完全相同。這種特性在半導(dǎo)體封裝解決方案中是很獨(dú)特的。因此晶圓級封裝有時(shí)也被稱為“芯片級封裝”。

　　第三代晶圓級封裝

　　目前便攜式電子設(shè)備的流行趨勢是越來越薄。同時(shí)，其它國家也在大規(guī)模開發(fā)圖像傳感器。比如汽車產(chǎn)業(yè)，需要在車內(nèi)集成各種輔助駕駛裝置和中央信息控制臺，這些控制臺要能顯示車輛診斷、娛樂系統(tǒng)狀態(tài)和導(dǎo)航信息。汽車設(shè)備用的圖像傳感器對可靠性的要求比手機(jī)要高得多。這是不足為奇的，因?yàn)槭謾C(jī)的平均壽命也就幾個(gè)月，常常由于推出更新款式或更好型號而不是技術(shù)問題被更換，而典型的國產(chǎn)汽車至少要使用數(shù)年時(shí)間。另外，手機(jī)大部分在良好的環(huán)境下使用，而車載圖像傳感器要暴露在特殊的氣候條件下，包括周期性地整個(gè)泡在水里。

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