淺析CMOS圖像傳感器晶圓級封裝技術(shù)

馬書英，王 姣，劉 軼，鄭鳳霞，劉玉蓉，肖智軼

(華天科技（昆山）電子有限公司，江蘇昆山215300)

1 引言

2000年夏普推出第一款可拍照的手機，經(jīng)過二十多年的發(fā)展，手機已成為人們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚墓ぞ?，其中攝像是智能手機的核心功能之一，各大手機廠商均把拍攝性能作為產(chǎn)品的關(guān)鍵競爭指標。手機攝像頭的演變也日新月異，最初的手機是單個攝像頭，但是由于智能手機攝像頭尺寸較小，單個CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）圖像傳感器（CMOS Image Sensor,CIS）感光性能有限，為了呈現(xiàn)更好的拍照效果，將原先集成在一個攝像頭上的多種功能分解成多個單一功能攝像頭，如廣角、長焦、微距等，促使了后置雙攝、前置雙攝，再到3D感應(yīng)模組、后置三攝、四攝、五攝等多攝視覺解決方案的出現(xiàn)。多攝像頭的出現(xiàn)在提升圖像質(zhì)量的同時，促進了圖像傳感器市場規(guī)模穩(wěn)步提升[1]。2019年，全球智能手機圖像傳感器出貨量超過47億顆，同比增長15%。2020年華為推出的P40 Pro+型號手機，攝像頭多達7個，這表明未來智能手機攝像頭市場仍然會保持穩(wěn)步增長。

與此同時，隨著無人駕駛的興起，CIS在汽車攝像頭市場也得到了迅猛的發(fā)展。先進輔助駕駛系統(tǒng)（Advanced Driving Assistance System,ADAS）的普及導致每輛汽車至少有8個攝像頭，包含后視攝像、全方位視圖系統(tǒng)、攝像機監(jiān)控系統(tǒng)等[2-6]。據(jù)Yole統(tǒng)計，2016—2018年全球車載CIS市場規(guī)模分別是5.4億美元、6.6億美元、8.7億美元，預計2023年達到32億美元，年復合增長率高達29.7%，汽車將會成為僅次于手機的第二大CIS應(yīng)用領(lǐng)域。其他新的應(yīng)用，如安防、無人機、機器人、虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實等，也將給全球CMOS市場的增長提供動力[7-8]。

圖像傳感器主要生產(chǎn)商有索尼、三星、豪威、安森美、格科微、海力士、思特威等，排名第一的是索尼，市場份額高達53%；排名第二的是三星電子，市場份額為18%；第三是豪威科技，市場份額為11%；第四是安森美半導體，市場份額為4%。四大生產(chǎn)商占據(jù)全球85%的市場。國內(nèi)企業(yè)格科微在低端市場（像素小于16 M）優(yōu)勢明顯，尤其是2 M、5 M等產(chǎn)品，市占率達到34%。思特威在安防監(jiān)控攝像頭和車載攝像頭領(lǐng)域持續(xù)發(fā)力，相繼推出多款產(chǎn)品，市場反響良好，發(fā)展勢頭迅猛。

在CIS產(chǎn)業(yè)規(guī)模日益擴大的背景下，本文介紹了CIS的主要結(jié)構(gòu)，回顧了CIS的封裝技術(shù)演變，并根據(jù)結(jié)構(gòu)和應(yīng)用領(lǐng)域的差異詳細介紹了基于硅通孔（Through Silicon Via,TSV）技術(shù)的多種CIS晶圓級封裝技術(shù)，指出了CIS晶圓級封裝技術(shù)的發(fā)展趨勢。

2 CIS結(jié)構(gòu)

目前CIS可以分為三種結(jié)構(gòu)，前照式（Front Side Illuminated,FSI），背照式（Back Side Illuminated,BSI），堆棧式（Stack）及在Stack基礎(chǔ)上演變的Triple Stack，如圖1所示。

圖1 CIS結(jié)構(gòu)

一般的CIS像素都由以下幾部分構(gòu)成：片上透鏡（Micro Lenses）、彩色濾光片（On-Chip Color Filters）、金屬排線、光電二極管以及基板。傳統(tǒng)的CIS是圖1中的“FSI”結(jié)構(gòu)，當光線射入像素，經(jīng)過了片上透鏡和彩色濾光片后，先通過金屬排線層，最后光線才被光電二極管接收。金屬是不透光的，而且還會反光。所以，在金屬排線這層光線就會被部分阻擋和反射掉，光電二極管吸收的光線就只有剛進來的70%或更少；而且反射還有可能串擾旁邊的像素，導致顏色失真。目前中低檔的CIS排線層所用的金屬是比較廉價的鋁，鋁對整個可見光波段（380～780 nm）基本保持90%左右的反射率。這樣一來，背照式CIS就應(yīng)運而生了，其金屬排線層和光電二極管的位置和“FSI”正好顛倒，光線幾乎沒有阻擋和干擾地進入光電二極管，光線利用率極高，所以背照式CIS能更好地利用射入的光線，在低照度環(huán)境下成像質(zhì)量也就更好，見圖2[9]。

圖2 FSI和BSI圖像傳感器

BSI感光單元的基板上不全是受光區(qū)，還有相當大的面積是電路板。如果能移除電路板，受光區(qū)域就會明顯增大，于是新的設(shè)計就是將電路板放到受光區(qū)下面，形成堆疊的結(jié)構(gòu)，這種設(shè)計叫堆棧式（Stacked），堆棧式CIS見圖3[10]。它可以顯著增加每個單元的受光面積，面積越大，受光也就越多，代表輸入信號也越強。但商家更樂意將這種技術(shù)用到提高像素方面，因為即便縮小感光單元，受光面積依然可以保持不變，意味著畫質(zhì)不會下降，同樣規(guī)格的感光器上可以放置更多的感光單元，從而提高像素密度和總像素數(shù)量，第一顆堆棧式感光器的總像素達到了1300萬，而畫質(zhì)也有了顯著的提升。從結(jié)構(gòu)上說，堆棧式應(yīng)該屬于背照式的一種。

圖3 堆棧式CIS

3 CIS封裝技術(shù)演變

CIS封裝最初采用的是帶有玻璃蓋板的陶瓷封裝，例如Amkor公司的VisionPak就是一種陶瓷無鉛芯片載體。這種方案比較昂貴而且會占用很大的相機內(nèi)空間。20世紀末晶圓級封裝（Wafer Level Package,WLP）技術(shù)逐步發(fā)展起來，其優(yōu)勢在于尺寸小、重量輕和成本低，并逐漸引起大家的關(guān)注。2007年3月，日本Toshiba公司首次展出采用硅通孔（Through Silicon Via，TSV）技術(shù)的WLP小型圖形傳感器模組，該技術(shù)不僅提供用于模塊集成的完全密閉的器件，使由污染顆粒所導致的CIS成品率損失大大降低，還具有當時業(yè)界最小尺寸和質(zhì)量、有效降低寄生效應(yīng)、改善芯片運行速度和降低功耗等優(yōu)點[11-12]。如今全球只有臺灣積體電路制造股份有限公司（臺積電）下屬公司精材科技、華天科技（昆山）電子有限公司、晶方科技、科陽光電4家OSAT（Outsourced Semiconductor Assembly and Testing）可以提供圖像傳感器WLP解決方案，其中華天科技（昆山）和晶方科技能夠提供12英寸圖像傳感器WLP服務(wù)。表1列舉了全球CIS各環(huán)節(jié)主要供應(yīng)商。

表1 CIS各環(huán)節(jié)主要廠商

4 CIS WLP技術(shù)

CIS根據(jù)其結(jié)構(gòu)和應(yīng)用領(lǐng)域不同，采用的WLP結(jié)構(gòu)也不同。華天科技（昆山）電子有限公司可以提供8英寸/12英寸基于TSV技術(shù)的全套圖像傳感器WLP技術(shù)，含激光打孔技術(shù)、平面停留技術(shù)、UT（Ultra Thin Process）半切技術(shù)和直孔技術(shù)。

4.1 激光鉆孔技術(shù)

激光鉆孔技術(shù)主要應(yīng)用于消費類圖像傳感器封裝，封裝工藝流程如圖4所示，先采用光刻膠在光玻璃上制作圍堰，空腔大小根據(jù)芯片傳感器區(qū)域確定，再通過晶圓永久鍵合將來料預處理好的晶圓和帶圍堰玻璃進行鍵合。鍵合片通過機械研磨達到預設(shè)厚度，再通過干法蝕刻去除應(yīng)力。通過涂布曝光顯影和干法刻蝕形成雙臺階通孔，雙臺階厚度配比根據(jù)客戶要求總厚度和金屬Pad Pitch來決定。為了增強芯片可靠性，通常采用預切割方式達到芯片包邊的效果，采用機械切割打開切割道，切入圍堰[13]。再通過噴涂工藝在硅基表面形成一層聚合物絕緣層，聚合物絕緣層不但能達到絕緣效果，同時還能形成側(cè)邊保護，阻礙水汽對芯片的侵蝕。采用激光打孔技術(shù)直接穿透絕緣層和金屬Pad，再濺射Ti/Cu種子層，通過電鍍和化學鍍工藝形成互聯(lián)線路，將Pad信號引到晶圓背面，為了保護線路在表面涂布一層阻焊層，光刻形成焊盤開口，再通過印刷工藝形成焊球，最終通過切割形成單顆封裝完成的芯片。圖5是激光鉆孔技術(shù)封裝成品的外觀圖和SEM圖。

圖4 激光鉆孔封裝工藝流程

圖5 激光鉆孔技術(shù)封裝成品外觀圖和SEM圖

4.2 平面停留技術(shù)

平面停留工藝和激光打孔工藝流程類似，主要應(yīng)用于安防監(jiān)控芯片和車載影像芯片，通過光刻使金屬重布線層（Redistribution Layer,RDL）和金屬Pad直接接觸連接，該連接方式接觸面積更大，可靠性更好，同時解決了部分BSI/Stack Wafer不能打孔的問題。平面停留工藝流程如圖6所示，涂布完絕緣光刻膠后通過光刻顯影去除金屬Pad上方的絕緣膠，再通過整面干法刻蝕方式去除Pad最表層的二氧化硅絕緣層從而暴露Pad，后續(xù)制程和激光打孔工藝類似[14-15]。圖7是平面停留技術(shù)封裝成品的外觀圖和SEM圖。

圖6 平面停留工藝封裝工藝流程

圖7 平面停留技術(shù)封裝成品的外觀圖和SEM圖

對比兩種封裝技術(shù)，激光打孔結(jié)構(gòu)的流程相對簡單，成本更低，但要求來料晶圓的金屬Pad下方不能有線路或者其他功能設(shè)計，對晶圓制造工藝也有要求，功能層不能有Low-k材料，否則激光打孔會引起延裂，從而導致產(chǎn)品失效。由于RDL和金屬Pad是通過激光打出的孔形成環(huán)形接觸，可靠性表現(xiàn)不如平面停留工藝[16-17]。華天科技（昆山）電子有限公司采用平面停留工藝封裝的車載圖像傳感器芯片在國內(nèi)率先通過汽車行業(yè)AEC-Q100認證。

4.3 UT半切技術(shù)

UT封裝技術(shù)主要適用于Pad間距較?。ú淮笥?10μm）且芯片Seal Ring在Pad內(nèi)側(cè)的產(chǎn)品，其封裝流程如圖8所示。

圖8 UT半切封裝技術(shù)流程

首先制備空腔玻璃，將空腔玻璃與晶圓正面鍵合。利用研磨工藝對背面減薄，通過干法蝕刻去除研磨產(chǎn)生的應(yīng)力層并且對硅基進一步減薄。再采用光刻和刻蝕工藝去除Pad上方的硅基，并在表面覆蓋一層鈍化膠。然后采用半切技術(shù)利用高速旋轉(zhuǎn)的角度刀將Pad打開并切入鍵合膠層，之后進行重布線并制作引出端焊球，最終切割成單個封裝體。圖9為UT半切結(jié)構(gòu)封裝后的SEM切片圖。UT封裝技術(shù)的優(yōu)勢在于可以增加后續(xù)所做線路與Pad的接觸面積，同時Pad及金屬線路的尾端通過阻焊膠（Solder Mask Film，SEM）包邊，有效提升了產(chǎn)品可靠性。另外，UT封裝技術(shù)采用一步硅刻蝕后，再利用半切技術(shù)將Pad側(cè)面打開，可以減少Pad上方氧化層刻蝕工序，并且也避免了激光打孔對Pad損傷的風險，可以節(jié)約成本，減少制樣周期，增加產(chǎn)品的可靠性。

圖9 UT結(jié)構(gòu)SEM切片圖

目前UT封裝技術(shù)主要應(yīng)用于消費類、安防類等產(chǎn)品，且能滿足該類產(chǎn)品的信賴性要求。按照JEDEC（Joint Electron Device Engineering Council）標準進行可靠性驗證，每種條件各投了45個產(chǎn)品，具體可靠性項目如表2所示，實驗結(jié)果顯示可靠性結(jié)果Pass，且未發(fā)現(xiàn)分層，斷裂等失效[18]。但是UT封裝技術(shù)也存在局限性，如果產(chǎn)品的Seal Ring在Pad外側(cè)，則無法采用該類封裝結(jié)構(gòu)。

4.4 直孔結(jié)構(gòu)封裝技術(shù)

隨著CMOS制造工藝的演變，由原先的FSI變成BSI，再演變到如今的Stack和Triple Stack技術(shù)，金屬Pad中的Low-k材料非常易碎，給封裝帶來很大挑戰(zhàn)。為了滿足新興的CIS晶圓級封裝，華天科技（昆山）電子有限公司開發(fā)了垂直通孔封裝技術(shù)。該技術(shù)可以滿足I/O（Input/Output）數(shù)目更多、可靠性要求更高、金屬Pad結(jié)構(gòu)更復雜的芯片的封裝需求。直孔封裝工藝流程如圖10所示，首先將來料預處理晶圓和做好圍堰的玻璃進行晶圓級永久鍵合，通過機械研磨和去應(yīng)力刻蝕達到規(guī)定的厚度。采用Bosch刻蝕工藝形成垂直通孔，直孔蝕刻是關(guān)鍵工藝步驟，直孔刻蝕中常見的Scallop、Footing、Notch等問題都會對產(chǎn)品電性能產(chǎn)生較大影響?？涛g完成后采用超聲波清洗去除表面由刻蝕生成的氟化物，清洗效果將直接影響后續(xù)的二氧化硅沉積。直孔技術(shù)無法采用光刻膠涂布形成絕緣層，因為孔側(cè)壁無法掛膠，因此需要采用PECVD（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition）沉積二氧化硅絕緣。由于CIS無法耐受超過230℃的溫度，因此需要開發(fā)低溫PECVD技術(shù)，解決膜孔底覆蓋率、低溫膜應(yīng)力和膜層結(jié)合力差的問題。接著是再布線工藝，區(qū)別于其他WLP技術(shù)，直孔技術(shù)需要采用高腔PVD（Physical Vapor Deposition）沉積Ti/Cu種子層，從而滿足孔底覆蓋率要求，電鍍工藝也需要重新優(yōu)化，增加前處理保證孔底浸潤性，實現(xiàn)孔內(nèi)線路的連續(xù)[18-21]。圖11為直孔結(jié)構(gòu)SEM圖。直孔技術(shù)由于通常應(yīng)用在車載等高端領(lǐng)域，為了保證球高均一性，通常采用植球工藝。直孔技術(shù)也通過可靠性驗證，測試項目如表3所示。

表3 直孔技術(shù)可靠性測試項目

圖10 直孔封裝工藝流程

圖11 直孔結(jié)構(gòu)SEM圖

5 結(jié)論

本文介紹了幾種常見的圖像傳感器晶圓級封裝技術(shù)，可以滿足FSI、BSI和Stack三種不同CIS的晶圓級封裝需求。由于晶圓級封裝具有小尺寸、低成本的特點，越來越多不同像素的CIS采用晶圓級封裝技術(shù)，目前2 M/5 M像素產(chǎn)品是主流，未來隨著晶圓級封裝技術(shù)的不斷更新迭代，8 M/13 M像素產(chǎn)品也有望實現(xiàn)晶圓級封裝。