60 mm 尺度CMOS 圖像傳感器裝片工藝技術(shù)研究

（中科芯集成電路有限公司，江蘇無錫 214072）

1 引言

目前應(yīng)用最為廣泛的圖像傳感器有電荷耦合器件CCD（Charge-Coupled Device）和互補金屬氧化物場效應(yīng)管CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）[1]。其中，CMOS 因其集成度高，且能與數(shù)字電路形成片上系統(tǒng)（System on a Chip,SoC），具有低功耗、工藝成本低等特點，近年來被廣泛研究，逐漸成為消費類電子產(chǎn)品的主流[2]。其種類包含感光陣列、列放大器、模擬信號處理電路、數(shù)字信號處理電路，幀（行）控制電路和時序電路、A/D 轉(zhuǎn)換電路等[3]。由于CMOS 芯片的像素很高，因此芯片的尺寸相對較大，通常在30 mm 以上，最大尺寸可達(dá)100 mm。

為了保證CMOS 圖像傳感器工作時的掃描精度和掃描范圍，對芯片貼裝的平面度有非常嚴(yán)苛的要求，具體要求如表1 所示。這對60 mm 以上超大尺寸CMOS 圖像傳感器芯片的貼裝工藝來說是一個非常嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。關(guān)于大尺寸芯片與超薄芯片的封裝翹曲問題，國內(nèi)外從工藝、變形機(jī)理、協(xié)同設(shè)計等角度進(jìn)行了研究[4-8]。

表1 60 mm 級CMOS 圖像傳感器裝片要求及主要影響因素

本文針對一款60 mm 尺度超大尺寸CMOS 芯片裝片工藝，通過裝片結(jié)構(gòu)分析、裝片膠的材料選擇和裝片工藝參數(shù)的優(yōu)化，解決芯片裝片傾斜和表面不平整問題。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

CMOS 圖像傳感器芯片通過裝片膠貼裝在管殼底座上。該裝片結(jié)構(gòu)的基本模型是一個芯片/裝片膠/管殼三明治結(jié)構(gòu)。圖1 為該三明治結(jié)構(gòu)的簡化模型（四分之一對稱仿真模型）。管殼材料相對明確，一般選擇氧化鋁陶瓷管殼。圖中紅色區(qū)域為CMOS 芯片。CMOS 芯片的尺寸為63 mm×32 mm，厚度僅為50 μm，屬于超大而且超薄的CMOS 芯片。介于芯片與管殼之間的材料為裝片膠，厚度為25 μm。

CMOS 芯片的翹曲與芯片、裝片膠、管殼之間的熱膨脹系數(shù)（CTE）不匹配有關(guān)。陶瓷管殼為氧化鋁材料，CTE=6.9×10-6/℃，芯片為硅材料，CTE=2.6×10-6/℃。通過有限元仿真，可以獲得封裝結(jié)構(gòu)從工藝溫度150 ℃冷卻到室溫之后芯片的翹曲度。因此，對于高精度的裝片要求，需要考察裝片膠材料對裝片翹曲的影響。從熱殘余應(yīng)力分析角度看，主要考察裝片膠的膨脹系數(shù)與裝片膠的彈性模量的影響。

圖1 有限元仿真模型

影響芯片貼片精度和翹曲度的因素是多方面的。人員操作的因素，可以通過人員培訓(xùn)將問題排除；設(shè)備方面的影響因素有點膠系統(tǒng)的穩(wěn)定性、傳送系統(tǒng)震動和裝片夾具的精度；材料方面，裝片膠的CTE、彈性模量參數(shù)都是影響芯片翹曲度的重要因素；工藝方面，基于裝片膠特性和芯片面積，選擇合適點膠針高度、點膠圖案、點膠量以及固化程序，可有效控制芯片翹曲度和收縮率在目標(biāo)范圍內(nèi)。

本文從兩個方面進(jìn)行評估：1）裝片膠的選擇評估，通過不同裝片膠的性能比對，結(jié)合有限元結(jié)構(gòu)仿真，選擇符合產(chǎn)品規(guī)范的裝片膠；2）針對優(yōu)選的裝片膠型號，進(jìn)一步優(yōu)化工藝參數(shù)，主要從點膠厚度和固化程序優(yōu)化進(jìn)行評估。

3 裝片膠的選擇

3.1 管殼尺寸及裝片膠的膨脹系數(shù)、彈性模量的影響

為了減少管殼尺寸因素對裝片翹曲的影響，在研究裝片材料對芯片翹曲的影響之前，首先對管殼壁(wall)和管殼底部(base)的厚度進(jìn)行了研究。仿真分析通過Abaqus 軟件進(jìn)行。結(jié)果表明（見圖2），增加管殼壁的厚度或者增加管殼底部的厚度，都可以提高裝片后芯片的翹曲度，降低芯片的翹曲。其中，管殼壁厚度的影響相對平緩，而管殼底部厚度的影響更為顯著。為了盡量減少管殼因素對芯片翹曲的影響，管殼壁的厚度和管殼底部的厚度均可在3 mm 以上。

圖2 管殼壁厚尺寸對CMOS 芯片翹曲的影響

假定管殼壁厚度為3 mm，底部厚度為3 mm，對膠的膨脹系數(shù)與彈性模量的影響展開研究。裝片膠的膨脹系數(shù)的變化范圍為50×10-6/℃～400×10-6/℃，而彈性模量的變化范圍為10 MPa～3000 MPa，基本涵蓋各種裝片膠的性能范圍。

圖3 裝片膠的CTE 與彈性模量對芯片翹曲的影響

根據(jù)圖3，在裝片膠CTE 不變的情況下，適當(dāng)提高裝片膠的彈性模量，有助于減少裝片后的芯片翹曲。圖中的各條曲線大致相交于模量為2.2 GPa 處，表明裝片膠的彈性模量為2.2 GPa 左右時，裝片后芯片的翹曲較為穩(wěn)定與優(yōu)化，為3.2 μm 左右。過大的彈性模量，會引入封裝應(yīng)力，對超薄芯片抵抗應(yīng)力不利。當(dāng)裝片膠的彈性模量比較低時（小于2.2 GPa），表現(xiàn)為裝片膠的膨脹系數(shù)越低，芯片的翹曲就越小。所以，低膨脹系數(shù)的裝片膠是一個比較優(yōu)化的選擇。

3.2 裝片膠優(yōu)選

相對于DSP、FPGA 等集成電路芯片，圖像傳感器芯片功耗一般不大，且通常對芯片襯底電位無要求，本文主要選擇承受溫度在200 ℃的非導(dǎo)電膠。表2 是傳感器芯片的3 款常用裝片膠的性能。這些性能包括玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)、高低溫下的CTE、高低溫下的彈性模量、剪切模量和質(zhì)量穩(wěn)定性等。當(dāng)溫度低于Tg時，環(huán)氧裝片膠呈玻璃態(tài)；當(dāng)溫度高于Tg時，環(huán)氧裝片膠硬度明顯下降，呈橡膠態(tài)，且CTE 也產(chǎn)生變化。CTEα1是指溫度低于Tg時材料的熱膨脹系數(shù)，CTEα2 是溫度高于Tg時材料的熱膨脹系數(shù)。如果二者相近，則Tg不在考慮范圍；如果二者相差非常大，裝片膠Tg應(yīng)該盡可能高于器件工作溫度，以保證CMOS 芯片在工作時的翹曲度及可靠性。

針對3 款常用裝片膠用有限元仿真優(yōu)選，3 款膠具有不同的Tg溫度、熱膨脹系數(shù)和彈性模量（如表2所示）。仿真結(jié)果見表3。圖4 為采用裝片膠1 時芯片的翹曲云圖，裝片膠2 與裝片膠3 的云圖與之類似。共同特點是芯片的翹曲均不大，在3.5～4.0 μm 范圍內(nèi)。3 款裝片膠均能滿足芯片整體翹曲度小于20 μm 的要求。由于陶瓷管殼的膨脹系數(shù)比芯片的膨脹系數(shù)略高，因此降溫過程收縮更大，于是芯片翹曲形狀體現(xiàn)為中部位置比四周的位置要高些。

表2 裝片膠主要參考指標(biāo)比對

表3 3 款裝片膠的翹曲仿真結(jié)果

圖4 裝片膠1 的翹曲云圖

從裝片膠的化學(xué)穩(wěn)定性（釋氣）進(jìn)行優(yōu)選。裝片膠1 的固化釋氣值（Weight Loss on Cure）非常小，預(yù)測膠在固化過程中的排氣量(Out Gassing)比較小，可很好地控制密封器件的釋氣。裝片膠3 的各項性能介于裝片膠1 和2 之間，不足的是固化釋氣值比較高，且裝片膠3 的Tg接近器件工作溫度，因此裝片膠3 不在考慮范圍內(nèi)。

從裝片膠的粘接強度進(jìn)行優(yōu)選。裝片膠2 的Tg非常低(-55 ℃)，模量非常小(僅2.77 MPa)，材料非常軟，膠的CTE 非常大(345×10-6/℃)。表3 表明，裝片膠的等效應(yīng)力越小，膠的剪切強度也越小。通過比對裝片膠1和裝片膠2 在25 ℃下的芯片粘接力，可以發(fā)現(xiàn)裝片膠1 的芯片剪切強度是裝片膠2 的4.54 倍。因此，裝片膠2 的膨脹系數(shù)偏大，芯片粘接力偏低。

總之，裝片膠1 粘接芯片與管殼的粘接強度高，且裝片膠1 的Tg高于器件工作溫度，CTEα1 較小，預(yù)期器件工作時膠的變形量小，可靠性有保證，最終選擇裝片膠1 為該工藝使用的材料，進(jìn)行工藝優(yōu)化。

4 裝片工藝參數(shù)優(yōu)化

裝片膠1 是雙組份膠，在使用前按比例混合攪拌，并進(jìn)行脫泡處理。用壓力-時間點膠系統(tǒng)，壓力值固定不變，點膠量的多少與點膠時間成正比。在進(jìn)行點膠試驗前，需要先計算合適的點膠量，根據(jù)點膠量評估點膠針直徑和點膠行程。

首先分析點膠厚度對芯片翹曲度的影響。根據(jù)裝片膠1 的特性，通過有限元分析點膠厚度25～125 μm時芯片翹曲度值，參見圖5。有限元分析結(jié)果顯示，在點膠厚度范圍25～125 μm 內(nèi)，裝片膠厚度越小，芯片翹曲量越小。這種現(xiàn)象可以解釋為裝片膠與芯片之間存在CTE 的差異，在拉伸模量比較高的情況下，膠層越厚，裝片膠因CTE 失配對芯片的“拉扯”程度越大。

圖5 裝片膠1 的厚度對芯片翹曲的影響

根據(jù)圖5 所示的仿真結(jié)果，膠層太厚對芯片翹曲影響大，而膠層設(shè)定太薄會造成膠量不好控制易產(chǎn)生空洞，因此固化后裝片膠厚度目標(biāo)設(shè)定值在30 μm。

點膠完成后進(jìn)行裝片膠的固化，固化曲線一般包含升溫（控制升溫速率）、恒溫和降溫（控制降溫速率）。通常而言，固化峰值溫度越高，裝片膠與芯片的粘結(jié)強度越大，Tg也越高，但膠的收縮率也會相應(yīng)變高，因此根據(jù)需要選擇一個合適的固化峰值溫度非常重要。通過膠材料的性能可知，該膠最低固化溫度是120 ℃，環(huán)氧樹脂開始發(fā)生一系列的交聯(lián)固化反應(yīng)，同時保持一定的恒溫時間，能夠保證固化充分。

過高的升溫速率，會使裝片膠內(nèi)一些反應(yīng)單體迅速揮發(fā)，裝片膠收縮率變大，膠與芯片之間的應(yīng)力增大。因此降低固化升溫速率，或者采用兩步固化，可以有效地降低裝片膠收縮率，進(jìn)而控制芯片的翹曲度和傾斜度。過快的降溫速率會對芯片產(chǎn)生熱應(yīng)力，但過慢會影響產(chǎn)能。因此降溫速率一般選擇最大自然降溫速率，器件在烘箱內(nèi)降溫至100 ℃后取出，在環(huán)境氮氣下自然降溫。結(jié)合膠材料的性能和實際生產(chǎn)情況，對裝片膠1 采用兩步升溫工藝，先升溫至90 ℃，再升至峰值溫度下固化1 h。試驗分別評估120 ℃、150 ℃與180 ℃峰值溫度下膠的收縮尺寸，如圖6 所示。峰值溫度條件為120 ℃和150 ℃，膠固化前后收縮尺寸均能控制在10 μm 以內(nèi)，滿足膠收縮率小于10 μm 的要求。通過差示掃描量熱法（DSC）檢測，峰值溫度為150 ℃，1 h 后膠已完全固化。因此最終選擇2 步升溫固化方式，先升溫至90 ℃，再在峰值溫度150 ℃下固化1 h。

圖6 不同固化峰值溫度下膠收縮尺寸對比

衡量點膠固化工藝是否符合要求，主要是對固化后芯片翹曲度、膠的收縮、粘接強度檢測以及后續(xù)的可靠性試驗進(jìn)行評估。通過3 點固定平面，計算芯片表面最大高度與最小高度的差值為翹曲度，圖7 為固化后檢測芯片翹曲度的控制圖，可以得出芯片的翹曲度遠(yuǎn)低于20 μm 的控制范圍。

圖7 芯片翹曲度的I-MR 控制圖

圖8 所示為芯片裝片后的傾斜度，計算通過對芯片4 個角的位置與陶瓷管殼底部上表面的高度差（H1、H2、H3和H4），然后得到芯片對角線位置的高度差與芯片對角線長度比值的反正弦角度小于0.1°，即arcsin|H1-H3|或者|H2-H4|/ L對角線＜0.1°。最終通過測量和計算，傾斜度小于0.1°，滿足工藝要求。

圖8 芯片貼片傾斜度測量示意圖

圖9 為超聲掃描觀察固化后芯片與管殼的粘結(jié)情況，空洞占芯片面積比率（0%～5%）均優(yōu)于20%的要求（GJB548B-2005 方法2030）。芯片粘接強度采用拉脫強度檢測，測試數(shù)據(jù)大于20.00 kg，斷裂模式為芯片與粘結(jié)材料，基板未脫離，滿足GJB548B-2005 方法2019.2 的1.0 倍判據(jù)（大于6.71 kg）要求。

圖9 固化后C-SAM 芯片的粘接層空洞

5 結(jié)論

管殼尺寸優(yōu)化結(jié)果表明，陶瓷管殼壁厚3 mm 以上、底厚3 mm 以上時，管殼尺寸對芯片翹曲的影響相對平緩，有助于降低芯片的翹曲。封裝結(jié)構(gòu)中管殼尺寸的優(yōu)化為研究裝片膠材料性能對芯片翹曲的影響打下了基礎(chǔ)。通過研究裝片膠的材料性能（彈性模量和膨脹系數(shù)）對芯片翹曲的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)裝片膠的彈性模量在2.2 GPa 左右時，裝片膠膨脹系數(shù)的變化對芯片翹曲度的影響達(dá)到最小，有助于獲得穩(wěn)定的封裝質(zhì)量。對幾種裝片膠材料進(jìn)行了優(yōu)選，控制其釋氣率(化學(xué)穩(wěn)定性)和裝片膠的粘接強度。最后通過優(yōu)化裝片膠的厚度、固化工藝參數(shù)等，實現(xiàn)了芯片翹曲度小于20 μm 的要求（實際小于10 μm），同時芯片的粘結(jié)可靠性滿足要求。