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(jí)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(jí)。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(shì)得以繼續(xù)。現(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)確地講是正常空氣中所含的濕氣，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(shì)，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)饩€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(duì)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

第一代固態(tài)圖像傳感器采用陶瓷封裝(見圖1)。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。

圖1：用于固態(tài)圖像傳感器的陶瓷封裝
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(duì)較高。對(duì)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(jí)封裝

半導(dǎo)體的晶圓級(jí)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(shì)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(jí)。

雖然晶圓級(jí)封裝看起來似乎很簡單，但大批量生產(chǎn)所需的材料、工具和專業(yè)知識(shí)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(jí)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。

圖2：圖像傳感器由晶圓級(jí)成形的封裝保護(hù)
如圖2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(jí)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(jí)封裝有時(shí)也被稱為“芯片級(jí)封裝”。

第三代晶圓級(jí)封裝

目前便攜式電子設(shè)備的流行趨勢(shì)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(tái)，這些控制臺(tái)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(duì)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(hào)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。