關(guān)于CMOS圖像傳感器封裝標(biāo)準(zhǔn)的探討

肖漢武

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十八研究所,江蘇 無錫 214035）

0 引言

與電荷耦合器件 （CCD:Charge Coupled Device）一樣,互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體 （CMOS:Complementary Metal Oxide Semiconductor）圖像傳感器屬于光敏器件或稱感光器件,其封裝中通常采用一個(gè)光學(xué)玻璃蓋板對(duì)封裝腔體內(nèi)的芯片進(jìn)行保護(hù)。根據(jù)CMOS圖像傳感器封裝結(jié)構(gòu)的不同,CMOS圖像傳感器通常有塑料封裝和陶瓷封裝兩種主要的封裝形式。

圖像傳感器芯片的塑料封裝與普通集成電路的塑料封裝不同,其需要在封裝內(nèi)部形成一個(gè)空腔結(jié)構(gòu),空腔上方采用光學(xué)玻璃蓋板進(jìn)行密封,玻璃蓋板的作用除了保護(hù)芯片免受外部環(huán)境污染外,另一個(gè)重要的作用是便于光線進(jìn)入芯片表面感光單元,在該封裝結(jié)構(gòu)中,僅僅只有芯片安裝基底材料為塑料材質(zhì)。圖像傳感器芯片塑料封裝示意圖如圖1所示。

圖1 圖像傳感器芯片塑料封裝示意圖 [1]

CMOS圖像傳感器芯片的陶瓷封裝則與普通集成電路的陶瓷封裝基本相同,兩者都采用了空腔型封裝結(jié)構(gòu)。圖像傳感器芯片陶瓷封裝實(shí)例如圖2所示。

兩種封裝形式中都是采用光學(xué)玻璃蓋板對(duì)封裝腔體進(jìn)行密封 （又稱封帽）,密封材料主要為有機(jī)膠,如環(huán)氧膠、UV膠等,采用膠粘接工藝 （簡(jiǎn)稱粘蓋）進(jìn)行封帽。

圖2 圖像傳感器芯片陶瓷封裝實(shí)例 （源自CMOSIS公司CMV12000，μPGA 237封裝）

目前,CMOS圖像傳感器封裝形式主要包括無引線芯片載體 （LCC:Leadless Chip Carrier）、 針柵陣列 （PGA:Pin Grid Array）、雙列直插封裝（DIP:Dual In-line Package） 和球柵陣列 （BGA:Ball Grid Array）等幾種類型。其中,LCC、BGA封裝主要用于小尺寸的芯片,DIP和PGA封裝則多用于引腳數(shù)超過100、尺寸較大的芯片。

CMOS圖像傳感器在我國(guó)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于數(shù)碼相機(jī)、手機(jī)攝像頭、電腦攝像頭、視頻電話、掃描儀、交通監(jiān)控、安保系統(tǒng)和汽車倒車視像系統(tǒng)等消費(fèi)類產(chǎn)品中[2],部分應(yīng)用于航空、航天等高端領(lǐng)域。國(guó)內(nèi)有多家企業(yè)或研究機(jī)構(gòu)開展了CMOS圖像傳感器的封裝制造和研發(fā)工作,但所使用的標(biāo)準(zhǔn)主要還是引用通用集成電路封裝相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范,或自建規(guī)范,缺乏一個(gè)統(tǒng)一、權(quán)威的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范。

國(guó)際上關(guān)于CMOS圖像傳感器芯片封裝的規(guī)范主要是歐洲空間局 （ESA:European Space A-gency）發(fā)布的ESCC 9020[3]:Photosensitive Charge Coupled Devices and CMOS Imaging Sensors with Hermetic and Non-hermetic Packages,這幾乎是目前關(guān)于CCD和CMOS圖像傳感器芯片封裝的唯一可檢索到的規(guī)范。

1 ESCC 9020簡(jiǎn)介

1.1 ESCC 9020概述

ESCC 9020是針對(duì)空間應(yīng)用的CCD和CMOS圖像傳感器器件的一個(gè)通用規(guī)范,涉及圖像傳感器芯片的質(zhì)量控制、篩選、鑒定、采購(gòu)和交付過程等,適用于氣密性封裝和非氣密性封裝的CCD和CMOS圖像傳感器芯片。

ESCC 9020規(guī)范的主要內(nèi)容包括圖像傳感器封裝產(chǎn)品的檢測(cè)、試驗(yàn)方法以及交付時(shí)所需的有關(guān)鑒定考核、周期考核等數(shù)據(jù)編制的要求。

1.2 ESCC 9020中引用文件

作為ESA發(fā)布的一個(gè)專門針對(duì)圖像傳感器封裝的通用規(guī)范,ESCC 9020引用了ESCC元器件（ESCC Components） 的17個(gè)基本規(guī)范 （ESCC Basic Specification）,涉及空間應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)電子元器件的認(rèn)證要求、內(nèi)部目檢、外部目檢、SEM、總劑量穩(wěn)態(tài)輻照測(cè)試方法和空間應(yīng)用電子元器件的技術(shù)流程認(rèn)證要求等內(nèi)容。此外,其還引用了一些包括空間材料篩選的熱真空試驗(yàn)、美軍標(biāo)MIL-STD-883微電子試驗(yàn)方法和程序等其他文本。

ESCC 9020中所引用的全部規(guī)范、其他文本如表1所示。

表1 ESCC 9020引用規(guī)范列表

另外,ESCC 9020規(guī)定了這些引用文件的適用優(yōu)先等級(jí),其順序依次為ESCC產(chǎn)品詳細(xì)規(guī)范、ESCC通用規(guī)范、ESCC基本規(guī)范和其他引用文本。

1.3 ESCC 9020規(guī)范的組成

ESCC 9020規(guī)范共包括12個(gè)章節(jié),各章節(jié)的詳細(xì)內(nèi)容如表2所示。

表2 ESCC 9020規(guī)范組成部分

1.4 ESCC 9020主要內(nèi)容介紹

ESCC 9020第五章為生產(chǎn)控制,分為3個(gè)小節(jié)。第一小節(jié)為基本要求,明確了所有的用于鑒定及鑒定維護(hù) （Qualification and Qualification Maintenance）、批確認(rèn)試驗(yàn)的器件須參照本規(guī)范第十二章中的圖表F2中的要求及順序進(jìn)行試驗(yàn)和檢測(cè),規(guī)定禁止組裝過程中的引線鍵合返工。第二小節(jié)為晶圓批驗(yàn)收要求,規(guī)定須提供工序監(jiān)控檢查 （僅針對(duì)通過鑒定的器件）、掃描電鏡SEM檢查、總劑量輻照試驗(yàn)和晶圓批驗(yàn)收相關(guān)文本文件。第三小節(jié)為特殊工藝控制要求,包括內(nèi)部目檢、引線鍵合強(qiáng)度、芯片剪切強(qiáng)度或襯底結(jié)合強(qiáng)度、物理尺寸檢查、幾何尺寸檢查、顆粒標(biāo)定 （Particle Mapping）、涂覆層剝離、拉脫強(qiáng)度、器件重量和特殊工藝控制相關(guān)文本文件等要求。

ESCC 9020第六章為篩選試驗(yàn),分為5個(gè)小節(jié)。第一小節(jié)為基本要求,明確所有的用于鑒定及鑒定維護(hù) （Qualification and Qualification Mainte-nance）、批確認(rèn)試驗(yàn)的器件須參照規(guī)范中圖表F3中的試驗(yàn)項(xiàng)目及順序?qū)嵤５诙」?jié)為失效判據(jù),包括環(huán)境和機(jī)械試驗(yàn)失效、參數(shù)漂移失效、參數(shù)超標(biāo)失效和其他失效的相關(guān)判據(jù)等4個(gè)分小節(jié)。第三小節(jié)為失效器件。第四小節(jié)為批失效,包括100%試驗(yàn)和抽樣試驗(yàn)兩種狀態(tài)下的批失效。第五小節(jié)則是關(guān)于篩選試驗(yàn)的相關(guān)文件編制。

ESCC 9020第七章為鑒定試驗(yàn)、鑒定維護(hù)和批驗(yàn)證試驗(yàn)相關(guān)規(guī)定,共分為9個(gè)小節(jié)。第一小節(jié)為鑒定試驗(yàn),明確參照本規(guī)范中圖表F4中的試驗(yàn)項(xiàng)目和順序?qū)嵤┻M(jìn)行試驗(yàn),并對(duì)鑒定試驗(yàn)的樣品分配進(jìn)行了規(guī)定。第二小節(jié)規(guī)定了采用經(jīng)過驗(yàn)證的工藝流程生產(chǎn)的器件的鑒定試驗(yàn)要求。第三小節(jié)為鑒定維護(hù)試驗(yàn)（周期試驗(yàn)）,對(duì)試驗(yàn)樣本數(shù)、周期等進(jìn)行了規(guī)定。第四小節(jié)為批驗(yàn)證試驗(yàn)相關(guān)規(guī)定。第五小節(jié)為失效判據(jù),包括環(huán)境和機(jī)械試驗(yàn)失效、電學(xué)失效和其他失效的相關(guān)規(guī)定。第六小節(jié)為失效器件,對(duì)失效的定義、失效分析和失效樣本的處置進(jìn)行了規(guī)定。第七小節(jié)為批失效的相關(guān)規(guī)定。第八小節(jié)是對(duì)參與鑒定試驗(yàn)、鑒定維護(hù)和批驗(yàn)證試驗(yàn)的樣本的規(guī)定。第九小節(jié)為鑒定試驗(yàn)、鑒定維護(hù)和批驗(yàn)證試驗(yàn)的相關(guān)文件編制的規(guī)定。

ESCC 9020第八章為試驗(yàn)方法及程序,共有21個(gè)試驗(yàn)方法,詳細(xì)內(nèi)容如表3所示。

ESCC 9020第九章為數(shù)據(jù)編制,共分為10個(gè)小節(jié)。該章節(jié)規(guī)定了用于每一個(gè)產(chǎn)品批次的鑒定試驗(yàn)、鑒定維護(hù)和采購(gòu)過程的數(shù)據(jù)文件需以打印件或電子數(shù)據(jù)格式提供一套文件包,該文件包由9個(gè)部分組成,分別是:封面頁(yè)、設(shè)備（試驗(yàn)和檢測(cè)）清單、試驗(yàn)基準(zhǔn) （用于關(guān)聯(lián)試驗(yàn)數(shù)據(jù)）清單、圓片批驗(yàn)收數(shù)據(jù)（圖表F2）、特殊工藝控制數(shù)據(jù) （圖表F2）、篩選試驗(yàn)數(shù)據(jù) （圖表F3）、鑒定和周期檢驗(yàn) （必要時(shí)包括批確認(rèn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)）數(shù)據(jù) （圖表F4）、失效產(chǎn)品清單和失效分析報(bào)告和合格證。

ESCC 9020規(guī)定鑒定試驗(yàn)和周期試驗(yàn)由6個(gè)分組組成,分別是機(jī)械分組、環(huán)境分組、壽命分組、組裝能力 （Assembly capability）分組、可焊性分組和對(duì)比分組 （Control subgroup）,其中,壽命分組和可焊性分組要求每12個(gè)月進(jìn)行試驗(yàn),機(jī)械分組、環(huán)境分組及組裝能力分組則是每24個(gè)月進(jìn)行試驗(yàn),詳細(xì)內(nèi)容如圖3所示。

表3 ESCC 9020規(guī)范中的試驗(yàn)方法

圖3 鑒定試驗(yàn)、周期試驗(yàn)分組

顯然,ESCC 9020試驗(yàn)分組方法與半導(dǎo)體器件的分組試驗(yàn)方法是不盡相同的。值得一提的是,按照ESCC 9020規(guī)范,內(nèi)部氣體分析 （即內(nèi)部水汽含量分析）僅在適用時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)。事實(shí)上,空間用圖像傳感器封裝多采用藍(lán)寶石玻璃蓋板進(jìn)行密封,內(nèi)部氣氛分析試驗(yàn)時(shí)藍(lán)寶石玻璃蓋板很難被刺穿,測(cè)試通常無法進(jìn)行。也就是說,組裝能力分組中的內(nèi)部氣氛分析試驗(yàn)通常不作特別要求。

2 關(guān)于CMOS圖像傳感器封裝的幾點(diǎn)討論

2.1 圖像傳感器封裝的密封性定義

ESCC 9020對(duì)于CCD和CMOS圖像傳感器的氣密性封裝、非氣密性封裝的定義較為簡(jiǎn)潔。若一個(gè)封裝從設(shè)計(jì)上或結(jié)構(gòu)上能通過標(biāo)準(zhǔn)的密封測(cè)試,則認(rèn)為是氣密性封裝；若無法通過標(biāo)準(zhǔn)的密封測(cè)試,則認(rèn)為是非氣密性封裝。

圖像傳感器封裝中玻璃蓋板主要采用密封膠的粘蓋密封方式,與其塑料封裝基板一樣,這些基板、密封膠均為有機(jī)高分子結(jié)構(gòu),分子鏈間隙通常較大,對(duì)水汽的滲透能力與標(biāo)準(zhǔn)的密封材料如玻璃、金屬相差幾個(gè)數(shù)量級(jí)。常見的一些密封材料的水汽滲透能力的比較如圖4所示。

圖4 不同密封材料的水汽滲透能力比較

因此,從基底材料、密封材料兩個(gè)封裝結(jié)構(gòu)材料來看,目前主流的圖像傳感器的封裝形式并不能達(dá)到真正意義上的氣密性封裝的要求[4]。

2.2 圖像傳感器封裝的密封試驗(yàn)

ESCC 9020中的密封試驗(yàn)方法直接引用MILSTD-883中的方法1014,試驗(yàn)條件A、C或D,對(duì)應(yīng)于國(guó)軍標(biāo)GJB 548B-2005《微電子器件試驗(yàn)方法和程序》中的方法1014.2[5],試驗(yàn)條件A、C或D。

眾所周知,常規(guī)的細(xì)檢漏采用氦氣作為示蹤氣體,對(duì)于金屬焊料、封接玻璃等密封材料,氦分子無法從中滲透,但圖像傳感器封裝中的密封材料是能夠透過氦分子的。雖然密封膠可以在很短的時(shí)間內(nèi)暫時(shí)阻擋氦分子通過,但在密封試驗(yàn)的氦氣加壓過程中,氦氣能夠滲入密封膠體中并逐漸地進(jìn)入封裝腔體內(nèi)。此過程類似于常規(guī)細(xì)檢漏過程中器件表面的氦氣吸附[6-7]。

對(duì)幾種不同的密封膠粘蓋的密封性能的對(duì)比試驗(yàn)顯示,這些器件檢漏開始階段,測(cè)量漏率基本上超出拒收極限值R1,隨著時(shí)間的推進(jìn),測(cè)量漏率逐步地下降,當(dāng)時(shí)間接近最長(zhǎng)停留時(shí)間t2時(shí) （通常是1 h）,測(cè)量漏率通常都遠(yuǎn)低于拒收極限值R1。按照試驗(yàn)判據(jù),這些器件的密封試驗(yàn)是通過的,即封裝氣密性合格。

然而,這種所謂的氣密封裝所使用的密封材料包括塑封基板本身并非氣密,結(jié)構(gòu)上并不符合氣密性的基本定義,因此,即便圖像傳感器通過了標(biāo)準(zhǔn)的密封試驗(yàn),其封裝仍然不能稱之為真正意義上的氣密封裝,而將其稱為準(zhǔn)氣密封裝更為準(zhǔn)確。

3 結(jié)束語

圖像傳感器的封裝盡管與普通集成電路的標(biāo)準(zhǔn)氣密封裝大同小異,都采用了空腔結(jié)構(gòu)的封裝形式,但是這類芯片的光學(xué)特性決定了其光窗玻璃蓋板的密封多采用基于環(huán)氧膠的粘蓋封帽工藝,同時(shí)對(duì)芯片安裝的精度要求更是有別于常規(guī)的集成電路封裝。這些特點(diǎn)決定了圖像傳感器的封裝評(píng)價(jià)很難簡(jiǎn)單地參照或引用常規(guī)的集成電路的封裝評(píng)價(jià)方法。目前,我國(guó)高可靠圖像傳感器封裝的可靠性試驗(yàn)尚缺乏一個(gè)行業(yè)通用的規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn),多是直接引用ESCC 9020通用規(guī)范或參考GJB 548B-2005中相應(yīng)的方法進(jìn)行此類器件的可靠性試驗(yàn)。

現(xiàn)階段我國(guó)高端圖像傳感器主要還是依賴進(jìn)口,尤其是空間應(yīng)用的圖像傳感器芯片更是如此。近年來,國(guó)產(chǎn)圖像傳感器芯片的研制過程已經(jīng)取得了重大的進(jìn)展,已有多家研究機(jī)構(gòu)開展了高端CMOS圖像傳感器的研發(fā)工作并取得了成功,可以預(yù)測(cè),高端CMOS圖像傳感器芯片的自主可控局面在不遠(yuǎn)的將來會(huì)實(shí)現(xiàn)突破。然而,圖像傳感器封裝的國(guó)家層面的規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)仍然是空白,眾所周知,一個(gè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范的建立是一個(gè)較為漫長(zhǎng)、繁雜的過程,標(biāo)準(zhǔn)的滯后顯然將不利于國(guó)產(chǎn)圖像傳感器芯片的快速研發(fā),因此,現(xiàn)階段開展圖像傳感器封裝的相關(guān)國(guó)家規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)的建立、起草和制訂是一件緊迫且有現(xiàn)實(shí)意義的基礎(chǔ)工作,宜快不宜遲。

[1]陳榕庭.CMOS圖像傳感器封裝與測(cè)試技術(shù) [M].北京:電子工業(yè)出版社,2006.

[2]THORSTEN Matthias,GERALD Kreind,VIOREL Dragoi,et al.CMOS圖像傳感器晶圓級(jí)封裝工藝的進(jìn)展 [J].功能材料與器件學(xué)報(bào),2013,19（5）:236-239.

[3]ESCC Generic Specification No.9020:Photosensitive Charge Coupled Devices and CMOS Imaging Sensors with Hermetic and Non-hermetic Packages[S].

[4]高輝,肖漢武.準(zhǔn)氣密空腔型外殼的封裝技術(shù) [J].電子與封裝,2016,16 （11）:1-6.

[5]信息產(chǎn)業(yè)部電子第四研究所.微電子器件試驗(yàn)方法和程序:GJB 548B-2005[S].

[6]GERLACH A,KELLER W,SCHULZ J,et al.Gas permeability of adhesives and their application for hermetic packaging of microcomponents[J].Microsystem Technologies,2001 （7）:17-22.

[7]于宗光.CMOS集成電路的ESD設(shè)計(jì)技術(shù) [J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn),2001,19（2）:16-21.