浅析CMOS图像传感器晶圆级封装技能

关键词：CMOS图像传感器；晶圆级封装；硅通孔技能

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引 言

自2000年夏普推出第一款可拍照的手机，经由二十多年的发展，手机已成为人们日常生活中必不可少的工具，个中摄像头是智好手机的核心功能，各大手机厂商均把拍摄性能作为产品的关键竞争指标。
手机摄像头的演化也日月牙异，最初的手机是单个摄像头，但是由于智好手机摄像头尺寸较小，单个CMOS图像传感器（CMOS Image Sensor, CIS）感光性能有限，为了达到更好的拍照效果，将原来集成在一个摄像头上的多种功能分解成多个单一功能摄像头，如广角、长焦、微距等，匆匆使了后置双摄、前置双摄，再到3D感应模组、后置三摄、四摄、五摄等多摄视觉办理方案的涌现。
多摄像头的涌如今提升图像质量的同时，促进了图像传感器市场规模稳步提升[1]。
2019年，环球智好手机图像传感器出货量超过47亿颗，同比增长15%。
2020年华为推出的P40 Pro+型号手机，摄像头高达7个，这表明未来智好手机摄像头市场仍旧会保持稳步增长。

与此同时，随着无人驾驶的兴起，CIS在汽车摄像头市场也得到了迅猛的发展。
前辈赞助驾驶系统(Advanced Driving Assistance System, ADAS)的遍及导致每辆汽车至少有8个摄像头，包含后视摄像、全方位视图系统、摄像机监控系统等[2-6]。
据Yole统计，2016—2018年环球车载CIS市场规模分别是5.4亿美元、6.6亿美元、8.7亿美元，估量2023年达到32亿美元，年复合增长率高达29.7%，汽车市场将会成为仅次于手机的第二大CIS运用领域。
其他新的运用，如安防、无人机、机器人、虚拟现实、增强现实等，也将给环球CMOS市场的增长供应动力[7-8]。

图像传感器紧张生产商有索尼、三星、豪威、安森美、格科微、海力士、思特威等，排名第一的是索尼，市场份额高达53%；排名第二的是三星电子，市场份额为18%；第三是豪威科技，市场份额为11%；第四是安森美半导体，市场份额为4%。
四大家霸占环球85%的市场。
海内企业格科微在低端市场（像素小于16 M）上风明显，尤其是2 M、5 M等产品，市占率达到34%。
思特威在安防监控摄像头和车载摄像首领头子域持续发力，相继推出多款产品，市场反响良好，发展势头迅猛。

在CIS家当规模日益扩大的背景下，本文先容了CIS的紧张构造，回顾了CIS的封装技能演化，并根据构造和运用领域的差异详细先容了基于硅通孔(Through Silicon Via, TSV) 技能的多种CIS晶圆级封装技能，指出了CIS晶圆级封装技能的发展趋势。

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CIS构造

目前CIS可以分为三种构造，前照式(Front Side Illuminated, FSI)，背照式(Back Side Illuminated, BSI)，堆栈式(Stack)及在Stack根本上演化的Triple Stack，如图1所示。

图1 CIS构造

一样平常的CMOS像素都由以下几部分构成：片上透镜（Micro Lenses）、彩色滤光片（On-Chip Color Filters）、金属排线、光电二极管以及基板。
传统的CMOS是图1中的“FSI”构造，当光芒射入像素，经由了片上透镜和彩色滤光片后，先通过金属排线层，末了光芒才被光电二极管吸收。
金属是不透光的，而且还会反光。
以是，在金属排线这层光芒就会被部分阻挡和反射掉，光电二极管接管的光芒就只有刚进来的70％或更少；而且反射还有可能串扰阁下的像素，导致颜色失落真。
目前中低档的CMOS排线层所用的金属是比较廉价的铝，铝对全体可见光波段（380～780 nm）基本保持90％旁边的反射率。
这样一来，背照式CMOS就应运而生了，其金属排线层和光电二极管的位置和“FSI”恰好颠倒，光芒险些没有阻挡和滋扰地进入光电二极管，光芒利用率极高，以是背照式CMOS传感器能更好地利用射入的光芒，在低照度环境下成像质量也就更好，见图2[9]。

图2 FSI和BSI图像传感器示意图

BSI感光单元的基板上不全是受光区，还有相称大的面积是电路板。
如果能移除电路板，受光区域就会明显增大，于是新的设计便是将电路板放到受光区下面，形成堆叠的构造，这种设计叫堆栈式（Stacked），堆栈式CIS见图3[10]。
它可以显著增加每个单元的受光面积，面积越大，受光也就越多，代表输入旗子暗记也越强。
但商家更乐意将这种技能用到提高像素方面，由于即便缩小感光单元，受光面积依然可以保持不变，意味着画质不会低落，同样规格的感光器上可以放置更多的感光单元，从而提高像素密度和总像素数量，第一颗堆栈式感光器的总像素达到了1300万，而画质也有了显著的提升。
从构造上说，堆栈式该当属于背照式的一种。

图3 堆栈式CIS示意图

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CIS封装技能演化

CIS封装最初采取的是带有玻璃盖板的陶瓷封装，例如Amkor的VisionPak便是一种陶瓷无铅芯片载体。
这种方案比较昂贵而且会占用很大的相机内空间。
20世纪末晶圆级封装(Wafer Level Package, WLP)技能逐步发展起来，其上风在于尺寸小、重量轻和本钱低，并逐渐引起大家的关注。
2007年3月，日本Toshiba公司首次展出采取硅通孔技能的WLP的小型图形传感器模组，该技能不仅供应用于模块集成的完备密闭的器件，使由污染颗粒所导致的CIS成品率丢失大大降落，还具有最小尺寸和质量、有效降落寄生效应、改进芯片运行速率和降落功耗等优点[11-12]。
如今环球只有台积电下属公司精材科技、华天科技（昆山）电子有限公司、晶方科技、科阳光电四家OSAT(Outsourced Semiconductor Assembly and Testing)可以供应图像传感器WLP办理方案，个中只有华天科技（昆山）和晶方科技能够供应300 mm（12英寸）图像传感器WLP做事。
表1列举了环球CIS各环节紧张供应商。

表1 CIS各环节紧张厂商

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CIS WLP技能

CIS根据其构造和运用领域不同，采取的WLP构造也不同。
华天科技（昆山）电子有限公司可以供应200 mm/300 mm（8/12英寸）基于TSV技能的全套图像传感器WLP技能，含激光打孔技能、平面勾留技能、UT半切技能和直孔技能。

4.1 激光钻孔技能

激光钻孔技能紧张运用于消费类图像传感器封装，封装工艺流程如图4所示，先采取光刻胶在光玻璃上制作围堰，空腔大小根据芯片传感器区域确定，再通过晶圆永久键合将来料预处理好的晶圆和带围堰玻璃进行键合。
键合片通过机器研磨达到预设厚度，再通过干法蚀刻去除应力。
通过涂布曝光显影和干法刻蚀形成双台阶通孔，双台阶厚度配比根据客户哀求总厚度和金属Pad Pitch来决定。
为了增强芯片可靠性，常日采取预切割办法达到芯片包边的效果，采取机器切割打开切割道，切入围堰[13]。
再通过喷涂工艺在硅基表面形成一层聚合物绝缘层，聚合物绝缘层不但能达到绝缘效果，同时还能形成侧边保护，阻碍水汽对芯片的侵蚀。
采取激光打孔技能直接穿透绝缘层和金属Pad，再溅射Ti/Cu种子层，通过电镀和化镀工艺形成互联线路，将Pad旗子暗记引到晶圆背面，为了保护线路在表面涂布一层阻焊层，光刻形成焊盘开口，再通过印刷工艺形成焊球，终极通过切割形成单颗封装完成的芯片。
图5是激光钻孔技能封装成品的外不雅观图和SEM图。

图4 激光钻孔封装工艺流程

图5 激光钻孔技能封装成品外不雅观图和SEM图

4.2 平面勾留技能

平面勾留工艺和激光打孔工艺流程类似，紧张运用于安防监控芯片和车载影像芯片，通过光刻使金属重布线(Redistribution Layer, RDL)和金属Pad直接打仗连接，该连接办法打仗面积更大，可靠性更好，同时办理了部分BSI/Stack Wafer不能打孔的问题。
平面勾留工艺流程如图6所示，涂布完绝缘光刻胶后通过光刻显影去除金属Pad上方的绝缘胶，再通过整面干法刻蚀办法去除Pad最表层的二氧化硅绝缘层从而暴露Pad，后续制程和激光打孔工艺类似[14-15]。
图7是平面勾留技能封装成品的外不雅观图和SEM图。

图6 平面勾留工艺封装工艺流程

图7 平面勾留技能封装成品的外不雅观图和SEM图

将两种封装技能比较，激光打孔构造的流程相对大略，本钱更低，但哀求来料晶圆的金属Pad下方不能有线路或者其他功能设计，对晶圆制造工艺也有哀求，功能层不能有Low-k材料，否则激光打孔会引起延裂，从而导致产品失落效。
由于RDL和金属Pad是通过激光打出的孔形成环形打仗，可靠性表现不如平面勾留工艺[16-17]。
华天科技（昆山）电子有限公司采取平面勾留工艺封装的车载图像传感器芯片在海内率先通过汽车行业AEC-Q100认证。

4.3 UT半切技能

UT（Ultra Thin Process）封装技能紧张适用于Pad间距较小（不大于110 m）且芯片Seal Ring在Pad内侧的产品，其封装流程如图8所示。
首先制备空腔玻璃，将空腔玻璃与晶圆正面键合。
利用研磨工艺对背面减薄，通过干法蚀刻去除研磨产生的应力层并且对硅基进一步减薄。
再采取光刻和刻蚀工艺去除Pad上方的硅基，并在表面覆盖一层钝化胶。
然后采取半切技能利用高速旋转的角度刀将Pad打开并切入键合胶层，之后进行重布线并制作引出端焊球，终极切割成单个封装体。
图9为UT半切构造封装后的SEM切片图。
UT封装技能的上风在于可以增加后续所做线路与Pad的打仗面积，同时Pad及金属线路的尾端通过阻焊胶（Solder Mask Film，SEM）包边，有效提升了产品可靠性。
其余，UT封装技能采取一步硅刻蚀后，再利用半切技能将Pad侧面打开，可以减少Pad上方氧化层刻蚀工序，并且也避免了激光打孔对Pad损伤的风险，可以节约本钱，减少制样周期，增加产品的可靠性。

图8 UT半切封装技能流程图

图9 UT构造SEM切片图

目前UT封装技能紧张运用于消费类、安防类等产品，且能知足该类产品的相信性哀求。
按照JEDEC(Joint ElectronDevice Engineering Council)标准进行可靠性验证，每种条件各投了45个产品，详细可靠性项目如表2所示，实验结果显示可靠性结果Pass，且未创造分层，断裂等失落效[18]。
但是UT封装技能也存在局限性，如果产品的Seal Ring在Pad外侧，则无法采取该类封装构造。

表2 UT封装技能可靠性测试项目

4.4 直孔构造封装技能

随着CMOS制造工艺的演化，由原来的FSI变成BSI，再演化到如今的Stack和Triple Stack技能，金属Pad中的Low-k材料非常易碎，给封装带来很大寻衅。
为了知足新兴的CIS晶圆级封装，华天科技（昆山）电子有限公司开拓了垂直通孔封装技能。
该技能可以知足I/O(Input/Output)数目更多、可靠性哀求更高、金属Pad构造更繁芜的芯片的封装需求。
直孔封装工艺流程如图10所示，首先将来料预处理晶圆和做好围堰的玻璃进行晶圆级永久键合，通过机器研磨和去应力刻蚀达到规定的厚度。
采取Bosch刻蚀工艺形成垂直通孔，直孔蚀刻是关键工艺步骤，直孔刻蚀中常见的Scallop、Footing、Notch等问题都会对产品电性能产生较大影响。
刻蚀完成后采取超声波洗濯去除表面由刻蚀天生的氟化物，洗濯效果将直接影响后续的二氧化硅沉积。
直孔技能无法采取光刻胶涂布形成绝缘层，由于孔侧壁无法挂胶，因此须要采取PECVD(Plasma EnhancedChemical Vapor Deposition)沉积二氧化硅绝缘。
由于CIS无法耐受超过230 ℃的温度，因此须要开拓低温PECVD技能，办理膜孔底覆盖率、低温膜应力和膜层结合力差的问题。
接着是再布线工艺，差异于其他WLP技能，直孔技能须要采取高腔PVD(Physical Vapor Deposition)沉积Ti/Cu种子层，从而知足孔底覆盖率哀求，电镀工艺也须要重新优化，增加前处理担保孔底浸润性，实现孔内线路的连续[18-21]。
图11为直孔构造SEM图。
直孔技能由于常日运用在车载等高端领域，为了担保球高均一性，常日采取植球工艺。
直孔技能也通过可靠性验证，测试项目如表3所示。

图10 直孔工艺封装流程

图11 直孔构造SEM图

表3 直孔技能可靠性测试项目

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结 论

本文先容了几种常见的图像传感器晶圆级封装技能，可以知足FSI、BSI和Stack三种不同CIS的晶圆级封装需求。
由于晶圆级封装具有小尺寸、低本钱的特点，越来越多不同像素的CIS采取晶圆级封装技能，目前2 M/5 M像素产品是主流，未来随着晶圆级封装技能的不断更新迭代，8 M/13 M像素产品也有望实现晶圆级封装。

DOI: 10.16257/j.cnki.1681-1070.2021.1003

中文引用格式：马书英，王姣，刘轶，等. 浅析CMOS图像传感器晶圆级封装技能[J]. 电子与封装, 2021, 21(10): 100108

英文引用格式：MA Shuying, WANG Jiao, LIU Yi, et al. Analysis of wafer level packaging technology for CMOS image sensor[J]. Electronics & Packaging, 2021, 21(10): 100108