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穿透硅通孔技术实现内窥镜用微型相机
材料来源:激光世界           录入时间:2011-9-26 11:17:58

注:本文版权为《激光世界》所有,未经许可,请勿转载!

作者:Gail Overton

基于过去在1.7µm像素尺寸的微型CMOS成像器方面所取得的晶圆级封装突破,目前,德国夫琅和费可靠性与微集成研究所和Awaiba GmbH公司的研究人员报道了用于内窥镜的微型CMOS相机。[1]该相机采用“穿透硅通孔”(Through-silicon vias,TSV)设计,从而实现了传感器和成像光学元件完全在晶圆级的集成。[2]采用这种方法制成的低成本、超微型CMOS相机只有1mm3大小,这无疑使一次性使用的内窥镜成为现实。

晶圆级封装

穿透硅通孔技术已经为成像传感器实现真正的晶圆级封装提供了显著帮助。在该技术出现以前,成像传感器的电气连接是通过导线实现的,由于光学组件需要同时容纳传感器和横向伸出的焊丝,因此相机的尺寸较大。对于前端成像器而言,采用倒装芯片的方法也是不可行的,因为将传感器粘合到不透明的衬底上,会阻挡来自传感器的入射光。有了穿透硅通孔技术后,便可以将传感器的电气连接移到器件的背面,这样传感器的有源区就不会被遮挡。相机的物镜(包括透镜、光阑以及滤光片)可以直接置于传感器芯片上,这样既能节省空间,又实现了与其他它封装技术不同的、真正的晶圆级相机。

封装过程从CMOS传感器开始。首先将传感器的有源面通过紫外固化胶粘合到玻璃衬底上,然后将CMOS晶圆的厚度加工到40µm。玻璃衬底不仅对传感器起到保护作用,而且还贯穿于整个加工过程,因此必须在最终相机的光学设计中也对其加以考虑。随后,在40µm厚的传感器晶圆的背面,通过等离子体刻蚀法实现穿透硅通孔。刻蚀锥形的穿透硅通孔,可以简化聚合物交叉介电层的沉积。介电层可以通过自旋涂敷沉积。接下来,通过等离子体刻蚀清除传感器铝垫上的氧化物,以实现电气连接。之后,对器件进行标准化镀铜,厚度为5µm。最后一步是加工作为钝化层和凸缘的聚合物层。凸缘通过35µm高的金镀层实现,也可以采用常规的凸缘冶金技术实现。

由于电气连接移到了成像传感器的背面,现在微型相机的成像部分或者说是晶圆级光学元件部分能够得以实现。根据光学设计要求的不同,可以采用多种工艺制造镜头。可以利用最原始的金刚石研磨模具,通过聚合物复制微透镜阵列。如果球面镜不是太厚,还可以在玻璃中刻蚀。光阑通过结构化铬层实现。透镜和光阑分别制造,并胶粘到晶圆上。在集成过程中,大约25,000个微型相机(每个相机有62,500个像素)可以通过一步实现集成(如图)。考虑到采用光纤束制成的最佳内窥镜仅有3,000个成像像素,因此上述该集成效果确实令人惊叹。

 

图1:穿透硅通孔技术可以实现比火柴头还要小的低成本CMOS相机。

 夫琅和费研究所的项目负责人Martin Wilke表示:“对于那些对相机尺寸有着苛刻要求的应用而言,我们的相机集成技术具有广阔的前景。目前,我们尚不能将该技术应用于百万像素手机中,因为进一步增加像素会导致晶圆级光学元件的集成变得十分复杂。但是,我们已经在医疗市场看到了巨大的应用前景,并且也在汽车行业和机器视觉领域发现了一些有趣的应用。”

参考文献

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).


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