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作者：Gail Overton

基于過(guò)去在1.7µm像素尺寸的微型CMOS成像器方面所取得的晶圓級(jí)封裝突破，目前，德國(guó)夫瑯和費(fèi)可靠性與微集成研究所和Awaiba GmbH公司的研究人員報(bào)道了用于內(nèi)窺鏡的微型CMOS相機(jī)。^[1]該相機(jī)采用“穿透硅通孔”（Through-silicon vias，TSV）設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)了傳感器和成像光學(xué)元件完全在晶圓級(jí)的集成。^[2]采用這種方法制成的低成本、超微型CMOS相機(jī)只有1mm³大小，這無(wú)疑使一次性使用的內(nèi)窺鏡成為現(xiàn)實(shí)。

晶圓級(jí)封裝

穿透硅通孔技術(shù)已經(jīng)為成像傳感器實(shí)現(xiàn)真正的晶圓級(jí)封裝提供了顯著幫助。在該技術(shù)出現(xiàn)以前，成像傳感器的電氣連接是通過(guò)導(dǎo)線實(shí)現(xiàn)的，由于光學(xué)組件需要同時(shí)容納傳感器和橫向伸出的焊絲，因此相機(jī)的尺寸較大。對(duì)于前端成像器而言，采用倒裝芯片的方法也是不可行的，因?yàn)閷�傳感器粘合到不透明的襯底上，會(huì)阻擋來(lái)自傳感器的入射光。有了穿透硅通孔技術(shù)后，便可以將傳感器的電氣連接移到器件的背面，這樣傳感器的有源區(qū)就不會(huì)被遮擋。相機(jī)的物鏡（包括透鏡、光闌以及濾光片）可以直接置于傳感器芯片上，這樣既能節(jié)省空間，又實(shí)現(xiàn)了與其他它封裝技術(shù)不同的、真正的晶圓級(jí)相機(jī)。

封裝過(guò)程從CMOS傳感器開(kāi)始。首先將傳感器的有源面通過(guò)紫外固化膠粘合到玻璃襯底上，然后將CMOS晶圓的厚度加工到40µm。玻璃襯底不僅對(duì)傳感器起到保護(hù)作用，而且還貫穿于整個(gè)加工過(guò)程，因此必須在最終相機(jī)的光學(xué)設(shè)計(jì)中也對(duì)其加以考慮。隨后，在40µm厚的傳感器晶圓的背面，通過(guò)等離子體刻蝕法實(shí)現(xiàn)穿透硅通孔�？涛g錐形的穿透硅通孔，可以簡(jiǎn)化聚合物交叉介電層的沉積。介電層可以通過(guò)自旋涂敷沉積。接下來(lái)，通過(guò)等離子體刻蝕清除傳感器鋁墊上的氧化物，以實(shí)現(xiàn)電氣連接。之后，對(duì)器件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化鍍銅，厚度為5µm。最后一步是加工作為鈍化層和凸緣的聚合物層。凸緣通過(guò)35µm高的金鍍層實(shí)現(xiàn)，也可以采用常規(guī)的凸緣冶金技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

由于電氣連接移到了成像傳感器的背面，現(xiàn)在微型相機(jī)的成像部分或者說(shuō)是晶圓級(jí)光學(xué)元件部分能夠得以實(shí)現(xiàn)。根據(jù)光學(xué)設(shè)計(jì)要求的不同，可以采用多種工藝制造鏡頭�？梢岳�用最原始的金剛石研磨模具，通過(guò)聚合物復(fù)制微透鏡陣列。如果球面鏡不是太厚，還可以在玻璃中刻蝕。光闌通過(guò)結(jié)構(gòu)化鉻層實(shí)現(xiàn)。透鏡和光闌分別制造，并膠粘到晶圓上。在集成過(guò)程中，大約25,000個(gè)微型相機(jī)（每個(gè)相機(jī)有62,500個(gè)像素）可以通過(guò)一步實(shí)現(xiàn)集成（如圖）�？紤]到采用光纖束制成的最佳內(nèi)窺鏡僅有3,000個(gè)成像像素，因此上述該集成效果確實(shí)令人驚嘆。

圖1：穿透硅通孔技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)比火柴頭還要小的低成本CMOS相機(jī)。

 夫瑯和費(fèi)研究所的項(xiàng)目負(fù)責(zé)人Martin Wilke表示：“對(duì)于那些對(duì)相機(jī)尺寸有著苛刻要求的應(yīng)用而言，我們的相機(jī)集成技術(shù)具有廣闊的前景。目前，我們尚不能將該技術(shù)應(yīng)用于百萬(wàn)像素手機(jī)中，因?yàn)檫M(jìn)一步增加像素會(huì)導(dǎo)致晶圓級(jí)光學(xué)元件的集成變得十分復(fù)雜。但是，我們已經(jīng)在醫(yī)療市場(chǎng)看到了巨大的應(yīng)用前景，并且也在汽車(chē)行業(yè)和機(jī)器視覺(jué)領(lǐng)域發(fā)現(xiàn)了一些有趣的應(yīng)用。”

參考文獻(xiàn)

1. M. Wilke et al., Proc. 7th Intl. Wafer Level Packaging Conf. 2010, Santa Clara, CA, 96–102 (October 2010).
       2. M. Wilke et al., “Prospects and Limits in Wafer-Level-Packaging of Image Sensors,” presented at ECTC 2011 – Electronic Components and Technology Conference, Lake Buena Vista, FL (May 2011).