晶圓級攝像頭的測試

李元升

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京東 燕郊 101601)

最近，主要的手機廠商佳能、索尼、意法半導(dǎo)體及中芯國際等都將晶圓級攝像頭(WLC)作為下一代低成本手機攝像頭制造的終極技術(shù)，紛紛推出各自的量產(chǎn)擴產(chǎn)計劃，以求取得領(lǐng)先地位。所謂晶圓級攝像頭(WLC)就是所有組件在200mm晶圓上制造，之后將光學(xué)晶圓與CMOS晶圓貼裝在一起，最后將該堆疊的晶圓切成大約2000～3000個攝像頭模塊，該模塊隨后一面與鏡頭實體組裝，另一面直接安裝在PCB基板上，成為成品攝像頭。晶圓級攝像頭的測試就是在晶圓堆疊后，劃切前進行的一項不可或缺的工藝。生產(chǎn)線上該工藝目前為手工操作，急需全自動測試設(shè)備以提高質(zhì)量和產(chǎn)量。本文將先從晶圓結(jié)構(gòu)開始分析逐步提出晶圓測試解決方案。

1 晶圓結(jié)構(gòu)分析

1.1 晶圓物理特征

該晶圓尺寸為外圓直徑200mm，片厚0.67mm，簡化截面圖如圖1，正面圖如圖2所示。

圖1 晶圓截面圖

由圖1可看出，該晶圓主要由0.4mm厚的玻璃透鏡層0.04mm的緩沖層0.13mm厚的聚合物傳感器層和0.1mm高的焊球陣列組成，晶圓的彎曲強度主要依賴于0.4mm厚的玻璃透鏡層和0.13mm厚的聚合物傳感器層。焊球為直徑φ0.2mm高0.1mm的錫球。

圖2 晶圓正面圖

由圖2可觀察到：整個晶圓可供裝夾的區(qū)域只有外徑φ200mm和內(nèi)徑φ196mm的圓環(huán)，裝夾、對準時要利用工藝標(biāo)志和方向標(biāo)志。芯片區(qū)排列著大約3650個芯片，橫向間距3.05mm，縱向間距3.15mm，邊界不規(guī)則，上下左右不對稱。單個芯片如圖3所示。

圖中焊球的排列是橫向4列，間距0.65mm，縱向5行，間距0.525mm。

圖3 PC30芯片

1.2 晶圓有限元分析

利用晶圓SOLIDWORKS模擬實體圖做模擬有限元分析，建立的實體網(wǎng)格圖如圖4所示。

假設(shè)沿周邊圓環(huán)固定，中心點為最大變形區(qū)域，給中心施加的壓力計算為：

圖4 晶圓網(wǎng)格圖

選用寧波新浦通用電子有限公司制造的雙頭探針P035-630，彈簧壓力為30 g，則整個針座(PC30裝針20個)對晶圓的力為：20×30 g=600 g=5.88 N，晶圓的受力面積為3mm×3mm=9mm2=0.09 cm2，那么壓力就為：

5.88 N/0.09 cm2=65.3 N/cm2

把這個值輸入到solidworks的載荷/制約下的壓力值中，經(jīng)運算分析得到靜態(tài)合力位移圖解，見圖5。

圖5 靜態(tài)位移圖解

已知變形比例為0.047，圖中最大變形位移4.244e-001 m，則中心點的理論最大位移為：1.99mm。

把客戶提供的200mm晶圓樣片用四個20mm等高塊沿周邊四點支撐在桌面上，再將500 g砝碼放到晶圓樣片中心，用18mm高的方塊和塞規(guī)測得晶圓樣片的變形量為1.5mm，這與理論計算值基本相符。所以晶圓裝夾時必須要考慮晶圓的彎曲變形。

1.3 晶圓裝夾要求

手工上下片，裝夾方便，可反復(fù)使用，可靠，不傷片不碎片。

1.4 晶圓測試工藝要求

利用外徑φ200mm和內(nèi)徑φ196mm的環(huán)形區(qū)域進行固定，不能影響對邊界芯片的測試；要有效消除晶圓的彎曲變形。與晶圓接觸的部分靜電不得超標(biāo)。晶圓背面有穩(wěn)定均勻的光源照射。

1.5 晶圓裝夾結(jié)構(gòu)

綜合考慮客戶要求和晶圓測試工藝要求后，設(shè)計的晶圓裝夾結(jié)構(gòu)如圖6所示，主要由托蓋、壓盤、緩沖墊和玻璃盤組成，裝片時只需把晶圓放到玻璃盤上，扣上壓蓋，擰上螺釘，即可手工裝到機器卡盤上進行測試，換片時從機器卡盤上取下，放到工作臺面上，擰下螺釘，揭開壓蓋，取下晶圓，裝入新晶圓，扣上壓蓋，擰上螺釘完成換片。

圖6 晶圓裝夾結(jié)構(gòu)

2 測試動作分解

假設(shè)晶圓立式安裝，如圖7所示，則完成測試晶圓必須的動作分解為：

(1)x-y向二維運動，完成整片測試行程；

(2)θ向旋轉(zhuǎn)運動，完成晶圓找正，便于自動測試；

(3)z向扎針運動，完成測針與晶圓錫球的物理連接；

(4)背光源x-y向隨動，提供照度為10001x、均勻性為±5%的平行光。

圖7 測試動作分解

3 測試原理

由晶圓的物理特征知：晶圓級攝像頭(WLC)技術(shù)制作的晶圓是光學(xué)晶圓與CMOS晶圓貼裝在一起而成。那么，要保證攝像頭模塊的質(zhì)量，就要測試芯片的光學(xué)成像性能和物理電性是否達標(biāo)。圖8為測試芯片質(zhì)量的原理框圖。

3.1 開短路測試儀測試原理

針座上的探針陣列與芯片上的焊球陣列 (圖9所示)一一對應(yīng)接觸，把采集到的焊球電性信號傳給開短路測試儀，開短路測試儀收到焊球電信號后按照固定的邏輯關(guān)系進行比較，由工控機判斷每個焊球的電性好壞，進而確定該芯片電性好壞并記錄測試數(shù)據(jù)。

圖8 測試原理

3.2 圖像測試儀測試原理

如圖10所示，物體AB經(jīng)透鏡F后成像在芯片光晶圓的靶面上，呈倒立縮小的A′B′，靶面上的微鏡頭把A′B′上的每個光點分解成紅黃藍三原色而被CMOS晶圓上的感光器件記錄，并被轉(zhuǎn)換成電壓，經(jīng)針座傳輸給圖像測試儀，圖像測試儀又把這些電壓解讀成影像顯示到顯示器上，由操作員進行判斷，以確定該芯片的優(yōu)劣等級。

圖9 焊球陣列

圖10 圖像測試儀測試原理圖

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 θ向旋轉(zhuǎn)機構(gòu)設(shè)計

圖11 θ向旋轉(zhuǎn)機構(gòu)

θ向旋轉(zhuǎn)機構(gòu)功能是讓晶圓按脈沖數(shù)θ向旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)范圍±5°，精度1°‰，旋轉(zhuǎn)結(jié)束后使晶圓在軸向和徑向保持靜止。從圖11可看出，由步進電機和同步帶組成驅(qū)動機構(gòu)提供轉(zhuǎn)矩來使θ向旋轉(zhuǎn)和保持靜止，大直徑交叉滾子軸承(RB35020THK)提供支撐，而轉(zhuǎn)環(huán)的設(shè)計、制造和裝配就成為該機構(gòu)是否成功的關(guān)鍵。

4.2 晶圓裝夾機構(gòu)設(shè)計

從前面“晶圓物理特征”分析知道整個晶圓可供裝夾的區(qū)域只有外徑φ200mm和內(nèi)徑φ196mm的圓環(huán)，單面僅有3mm，考慮到針座的結(jié)構(gòu)和測試動作，實際可供裝夾的圓環(huán)面單面不足1mm，從“晶圓有限元分析”知其彎曲變形必然較大，導(dǎo)致測試結(jié)果失真。而且其空間結(jié)構(gòu)尺寸受整機結(jié)構(gòu)設(shè)計限制，軸向厚度不能超過12mm，徑向不能超過290mm。難點是還要滿足操作者“裝夾方便，可反復(fù)使用，不傷片不碎片”的要求。

4.3 針座設(shè)計

把晶圓上焊球電性傳給測試儀有兩種結(jié)構(gòu)形式，即探針型和導(dǎo)電橡膠型，這里選擇使用壽命較長的探針型。針座包括陣列探針、針座板、針座電路板、高頻傳輸線和轉(zhuǎn)接板等，探針結(jié)構(gòu)圖見圖12，針頭和針尾可彈性伸縮，針頭部為叉形四尖結(jié)構(gòu)。針座示意圖見圖13。該結(jié)構(gòu)難點在于針陣列孔的加工以及裝針。

圖12 雙頭探針

圖13 針座

4.4 圖像測試儀信號轉(zhuǎn)換技術(shù)

由圖10知，同一光源經(jīng)過品質(zhì)不同的芯片后，產(chǎn)生不同的電壓，該電壓經(jīng)圖像測試儀解讀成不同的影像顯示到顯示器上，由操作員進行判斷，以確定該芯片的優(yōu)劣等級?！敖庾x”就是把電信號轉(zhuǎn)換成影像的一種技術(shù)，其真實性和穩(wěn)定性十分關(guān)鍵。

5 結(jié)論

晶圓級攝像頭（WLC）屬于先進的圓片級封裝技術(shù)，它將光學(xué)晶圓與CMOS晶圓貼裝在一起，最后切成攝像頭模塊的工藝方式是最新的封裝方法，目前尚處于發(fā)展階段，因其“物美價廉”吸引了眾多廠家的注意，相信在不久的將來會成為攝像領(lǐng)域主流的封裝方式。同樣，晶圓級攝像頭的測試正處于手動向自動、全自動的研發(fā)階段。本文闡述的測試原理和工藝方式是研制全自動晶圓測試設(shè)備的基礎(chǔ)，要制造出“性價比”優(yōu)異的全自動晶圓測設(shè)備還需進行細化設(shè)計、做大量的驗證實驗和反復(fù)優(yōu)化設(shè)計才能完成。有付出必有收獲，衷心希望國內(nèi)有實力的廠家能抓住機會，占領(lǐng)制高點，成為晶圓級攝像頭(WLC)測試領(lǐng)域的贏家。