CMOS图像传感器晶圆级封装技术

1.CIS的定义与分类:

CIS的功能是将光信号转换为电信号，并通过读出电路转为数字化信号，根据结构技术可将其分为前照式(FSI)、背照式(BSI)和堆栈式(Stacked)三种，堆栈式CIS是未来的主流方向. 

照式(FSI)、背照式(BSI)和堆栈式(Stacked)三种，堆栈式CIS是未来的主流方向.

2.CIS工作原理:

CIS由感光电路与信号转换电路组成，CIS将光信号转换为电信号，并通过读出电路转为数字化信号，CIS广泛应用于视觉领域，是摄像头的核心组成部分.

CIS由感光电路与信号转换电路组成，CIS将光信号转换为电信号，并通过读出电路转为数字化信号，CIS广泛应用于视觉领域，是摄像头的核心组成部分.

CIS主要应用于消费电子、汽车、安防、医疗四大领域，其中手机CIS市场规模最大。汽车CIS技术壁垒较手机CIS高，更追求稳定性与安全性.

3.CIS封装技术演变

CIS封装最初采用的是带有玻璃盖板的陶瓷封装，例如Amkor公司的VisionPak就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(WaferLevel Package WLP)技术逐步发展起来，其优势在于尺寸小 重量轻和成本低，并逐渐引起大家的关注。2007年3月，日本 Toshiba公司首次展出采用硅通孔(ThroughSilicon Via,TSV)技术的WLP小型图形传感器模组，该技术不仅提供用于模块集成的完全密闭的器件，使由污染颗粒所导致的CIS成品率损失大大降低，还具有当时业界最小尺寸和质量、有效降低寄生效应、改善芯片运行速度和降低功耗等优点.

3.1激光钻孔技术 

激光钻孔技术主要应用于消费类图像传感器封装,封装工艺流程如图所示:

      先采用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。键合片通过机械研磨达到预设厚度，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要求总厚度和金属PadPitch来决定。为了增强芯片可靠生，通常采用预切割方式达到芯片包边的效果，采用机械切割打开切割道，切人围堰。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。采用激光打孔技术直接穿透绝缘层和 金属Pad,再溅射Ti/Cu种子层,通过电镀和化学镀工艺形成互联线路，将Pad信号引到晶圆背面，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,最终通过切割形成单颗封装完成的芯片。下图是激光钻孔技术封装成品的外观图和SEM 图.

3.2 平面停留技术

    平面停留工艺和激光打孔工艺流程类似，主要应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层(RedistributionLayerRDL)和金属Pad直接接触连接,该连接方式接触面积更大，可靠性更好，同时解决了部分BSI/StackWafer不能打孔的问题。平面停留工艺流程如下图所示，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方式去除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.下图是平面停留技术封装成品的外观图和SEM图.

 双层晶体管像素堆叠式CMOS图像传感器技术。传统CMOS图像传感器的光电二极管和像素晶体管分布在同一基片，而索尼的新技术将光电二极管和像素晶体管分离在不同的基片层。与传统图像传感器相比，这一全新的结构使饱和信号量,约提升至原来的2倍，扩大了动态范围并降低噪点，从而显著提高成像性能。采用新技术的像素结构，无论是在当前还是更小的像素尺寸下，都能保持或是提升像素现有的特性。

3.3 堆叠式CMOS图像传感器结构

   （    传统的）堆叠式CMOS图像传感器的堆叠式结构中，背照式像素组成的像素芯片堆叠在逻辑芯片之上，而信号处理电路构成了逻辑芯片。在像素芯片内，用于将光转换为电信号的光电二极管和用于控制信号的像素晶体管在同一基片层并列。在这样的结构限制下，如何实现饱和信号量的最大化，对实现高动态范围、高图像质量的摄影具有重要作用。开发出的全新结构是堆叠式CMOS图像传感器技术的一项进步。使用专有的堆叠技术，将光电二极管和像素晶体管封装在分离的基片上，一个堆叠在另一个上面。相比之下，在传统的堆叠式CMOS图像传感器中，光电二极管和像素晶体管并排位于同一基片上。新的堆叠技术支持采用可以独立优化光电二极管和像素晶体管层的架构，从而使饱和信号量相比于传统图像传感器增加约一倍，进而扩大动态范围。

      此外，因为传输门 (TRG) 以外的像素晶体管，包括复位晶体管 (RST)、选择晶体管 (SEL) 和放大晶体管 (AMP)，都处于无光电二极管分布这一层，所以放大晶体管（AMP）的尺寸可以增加。通过增加放大晶体管尺寸成功地大幅降低了夜间和其他昏暗场景下图像容易产生的噪点问题。

      这项新技术使动态范围扩大并降低了噪点，将避免在有明暗差（例如背光设置）的场景下曝光不足和过度曝光的问题，即使在光线不充足（例如室内、夜间）的场景下也能拍摄高质量低噪点的图像。

将通过双层晶体管像素技术致力于实现更高质量的成像，例如智能手机拍摄等

待完整.............