基于過去在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鞲衅髡澈系讲煌该鞯囊r底上，會(huì)阻擋來自傳感器的入射光。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)。 

        封裝過程從CMOS傳感器開始。首先將傳感器的有源面通過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，通過等離子體刻蝕法實(shí)現(xiàn)穿透硅通孔。刻蝕錐形的穿透硅通孔，可以簡(jiǎn)化聚合物交叉介電層的沉積。介電層可以通過自旋涂敷沉積。接下來，通過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米钤嫉慕饎偸心ツ＞撸ㄟ^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。

       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，并且也在汽車行業(yè)和機(jī)器視覺領(lǐng)域發(fā)現(xiàn)了一些有趣的應(yīng)用。” 

作者：Gail Overton

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).