晶片級光學元件的安裝的製作方法

2023-12-01 22:46:41

專利名稱：晶片級光學元件的安裝的製作方法
晶片級光學元件的安裝相關申請的交叉引用本申請依據美國法典第35篇119條(35U. S. C，119)要求2008年2月22日提交 的標題為 「Attachment of Wafer Level Optics」 的美國臨時專利申請 No. 61/030，937 的 優先權，其內容通過弓I用併入本文。
背景技術：
在消費電子設備領域，例如無線電話，一直存在壓力促使設備更小型化、更便宜、 並且具有更多特徵。相應地，這類設備的製造商也給予各部件供應商同樣的壓力。由於目 前大部分無線電話是相機式電話(camera phone)，它們各自包括一個或多個相機模塊作為 電話的一個部件。該相機模塊可包括PCB(印刷電路板)或柔性電路、圖像傳感器、殼體和 透鏡組件。因此，人們期望相機模塊小型化、便宜、並且具有增強的功能。這些功能可包括更 高解析度的圖像傳感器和更高質量的光學元件/透鏡。人們還期望將相機模塊製造中所用 的部件和材料最少化，以減少製造這類模塊的時間，減少在製造這類模塊中涉及的人力，以 及減少生成的不良模塊的數量。通常，相機模塊的製造是通過將圖像傳感器連接到電路板，然後將包含透鏡的殼 體連接到同一電路板來進行。或者，其它製造技術包括以蓋玻璃遮蓋圖像傳感器，然後將透 鏡或者透鏡殼體連接到蓋玻璃。在一些情況中，透鏡容納在以螺紋方式接收到殼體中的透 鏡組件中，並且透鏡組件被旋轉直到為圖像傳感器提供適當聚焦的圖像。這時，可將透鏡組 件固定到殼體。上述現有技術及其相關局限性的例子旨在給出示例，並不是惟一的。通過閱讀說 明書和研究附圖，現有技術的其它局限性對本領域技術人員將是顯而易見的。

發明內容
結合其它系統、工具和方法來說明和示意以下實施例及其各方面，這些系統、工具 和方法只起示例和示意作用，並不限制範圍。在各實施例中，減少或消除了一個或多個上述 問題，同時其它實施例涉及其它改進。提供了一種相機模塊組件，其包括基板、結合到基板的圖像傳感器和直接連接到 圖像傳感器的光學層疊體(optics stack)。相機模塊組件的變型也可包括結合到基板和光 學層疊體的殼體。粘膠、環氧樹脂、粘接劑、膠帶或者任何其它適當的連接機構都可用來將 殼體結合到基板和光學層疊體，和/或將光學層疊體結合到圖像傳感器。還提供了另一種相機模塊組件，其包括圖像傳感器和直接連接到圖像傳感器的頂 部表面的光學層疊體。這種相機模塊組件的變型可包括將光學層疊體部分地封裝在模塑材料中，其中模 塑材料包括開口以容許光穿過模塑材料到達光學層疊體。此外，基板可直接連接到圖像傳 感器的底部表面。基板可包括通孔，通孔從基板的外部表面延伸穿過基板，到達位於圖像傳感器底部表面上的接合墊。通孔可填充有導電材料，並且焊球可在基板的外部表面連接到 通孑L。此外，提供了一種用於製造相機模塊的方法，其包括(1)提供包括多個圖像傳感 器的晶片；(2)將光學層疊體直接結合到各圖像傳感器；(3)通過傳遞模塑體(transfer molding)部分地封裝光學層疊體，留出穿過傳遞模塑體的開口，以容許光穿過而到達光學 層疊體；(4)將組件分割為獨立的相機模塊。用於製造相機模塊的方法的變型可包括使各光學層疊體具有位於離圖像傳感器 指定距離的一個或多個透鏡元件。該指定距離可具有5微米或更小的公差。還提供了另一種用於製造相機模塊的方法，其包括(1)提供具有圖像傳感器的 基板；以及(2)將光學層疊體直接結合到圖像傳感器。用於製造相機模塊的上述方法的變型可包括將殼體直接結合到基板，以使殼體 設置成圍繞圖像傳感器和光學層疊體。此外，殼體可包括上部埠，以容許光穿過殼體到達 光學層疊體。除了上述示例的方面和實施例外，另外的方面和實施例通過參考附圖和研究以下 說明將變得顯而易見。


圖1是通過本文所述技術生成的相機模塊的截面圖。圖2是圖1的相機模塊的分解視圖，顯示已安裝在電路板上的圖像傳感器、以及光 學層疊體和殼體。圖3與圖2的分解視圖相似，顯示粘膠已施加在圖像傳感器的周邊區域。圖4與圖3的分解視圖相似，顯示光學層疊體已連接到圖像傳感器。圖5與圖4的分解視圖相似，顯示粘膠已施加在電路板的周邊區域和光學層疊體 的頂部的周邊區域。圖6與圖5的分解視圖相似，顯示殼體已連接到相機模塊的具有暴露粘膠的各部 分。圖7示出了用於製造多個相機模塊的陣列處理技術中的各個階段。
具體實施例方式現在將參考附圖，其有助於示意本發明的各種相關特徵。雖然現在將主要結合相 機模塊對本發明進行說明，但是應當清楚地理解，本發明也可應用於期望將光學元件連接 到電子電路的其它應用中。鑑於此，以下給出將晶片級光學元件安裝到相機模塊中的圖像 傳感器的說明，用於圖示和示意。此外，以下說明並不意圖將本發明限制為本文所公開的形 式。因此，與後述教導、相關領域的技術和知識相稱的變型和修改都在本發明的範圍內。另 外，在此說明的實施例旨在解釋實施本發明的已知模式，並使本領域的其他技術人員在這 類或者其它實施例中，通過本發明的一種或多種特定應用或用途所需的各種修改，來運用 本發明。圖1顯示組裝的相機模塊10。相機模塊10包括通過板上貼晶片(chip-on-board， COB)技術安裝有圖像傳感器14的印刷電路板(PCB) 12。圖像傳感器14包括位於其頂部表面(top surface) 18的中心區域內的有效區域16。光學層疊體20連接到圖像傳感器14的 頂部表面18，以圍繞有效區域16。光學層疊體20包括一個或多個透鏡元件。在此示例中， 光學層疊體20包括三個透鏡元件第一透鏡元件22、第二透鏡元件24和第三透鏡元件26。 這三個透鏡元件22、24和26分別通過第一分隔件28、第二分隔件30和第三分隔件32而相 互分隔開並且與圖像傳感器14分隔開。光學層疊體的其它示例可包括一個、兩個、四個或 者四個以上的透鏡元件。光學層疊體可通過本領域已知的複製(implication)技術(使用模具)進行制 造。光學層疊體可在一個或多個透鏡元件的兩側(either side)包括非球面透鏡表面。各 分隔件28、30和32是中空的，在中心區域具有空腔，從而在光穿過相機模塊10射向圖像傳 感器14的有效區域16時，容許光穿過各後續透鏡元件。分隔件可由任何適當的材料構成， 例如玻璃或者聚合物材料。擁有複製技術的公司有例如Anteryon公司、Tessera/Digital Optics 公司禾口 Heptagon 公司。殼體34(其可由低粘環狀聚酯(CBT)、液晶聚合物(LCP)、玻璃或者其它適當的材 料構成)連接到PCB 12和光學層疊體20的頂部，以使入射到圖像傳感器14的有效區域16 的雜光的量最小化，並且增加相機模塊10的機械強度。殼體34包括容納光學層疊體20和 圖像傳感器14的內部空腔36。殼體34還包括上部埠 38，光能夠通過上部埠 38進入相 機模塊10、穿過光學層疊體20然後入射到圖像傳感器14的有效區域16。上部埠 38可 為任何適當的形狀。在此示例中，上部埠是矩形開口，但在其它示例中可採用其它形狀。 例如，可採用較小的圓形開口。用於組裝圖1的相機模塊10的過程在圖2-6中示出。圖2顯示已連接到PCB 12 的圖像傳感器14(在圖像傳感器14的頂部表面18上有有效區域16)。這一過程的起始部 分可在具有特定的真空特性的潔淨室中進行。光學層疊體20 (包括透鏡元件22、24和26 以及分隔件28、30和32)顯示為與圖像傳感器14和PCB 12的組合體相分開。進而，殼體 34顯示為與光學層疊體20相分開。雖然殼體34、光學層疊體20以及圖像傳感器14和PCB 12在圖2中顯示為分開關係，但這僅為易於理解和圖示。事實上，當執行由圖2和3之間的 差異所示意的步驟時，殼體34和光學層疊體20當然可以位於不同的位置或者位於完全不 同的位置。如圖3中可見，四條粘膠50已施加在圖像傳感器14的頂部表面18的周邊區域。分 配模式(dispense pattern)可為施加在圖像傳感器的周邊區域的斷線形粘膠(如所示)， 或者可為施加在傳感器的周邊區域的連續線形粘膠或者多點形粘膠。可使用任何適當的粘 膠、環氧樹脂或者其它類型的粘接劑，並且可採用精確的或者半自動的分配方法。一種適當 的粘膠的示例為Abielux A4502。粘膠線被小心準確地布置為距離圖像傳感器14的有效 區域16適當距離。例如，各粘膠線可與有效區域16分開300微米或者更大的距離，而各粘 膠線的寬度可在例如300至350微米範圍內。由於粘膠線的厚度有助於確定透鏡光學層疊 體20中的透鏡元件離圖像傳感器14的有效區域16的間距，因此期望將粘膠線的厚度保持 在合理的尺度水平(例如 12-15um)。此外，期望控制粘膠的黏度(viscosity)(例如 20000cps)和觸變指數(thixotropic index)(例如 3-5)。應當領會，除了在圖像傳感器 14的頂部表面18上的粘膠線50外，粘膠線還可施加在光學層疊體20的底部表面，尤其是 在第三分隔件32的底部表面。或者，粘膠可只施加在光學層疊體20，而不施加在圖像傳感
5器14。又或者，可使用雙面膠帶或者B階環氧樹脂(B-stage epoxy)將光學層疊體20連接 到圖像傳感器14。然後，通過精確的或者半自動的組裝設備拾取光學層疊體20並且連接到圖像傳 感器14。一旦光學層疊體20連接到圖像傳感器14後，就不再需要在潔淨室中進行後續 的組裝過程。這是因為圖像傳感器14的敏感的有效區域16已被遮蓋，從而減小了玷汙 (contamination)的可能。圖4顯示部分組裝的相機模塊，其中光學層疊體20已連接到圖 像傳感器14。此時，部分組裝的相機模塊通過紫外(UV)光來硬化粘膠。或者，可使用熱定 型的(thermal-setting)(或者其它類型的)粘膠，並且可使用適當的方法來硬化這種粘接 劑。然後，在將殼體34連接到相機模塊10的剩餘部分來完成組裝的一種可選方案中， 沿第一透鏡元件22的上表面的周邊、以及沿PCB 12的頂部表面的外周邊設置粘膠，如圖5 所示。此外，粘膠可施加在殼體34的適當的配合表面。或者，粘膠可不施加在光學層疊體 20和PCB 12，而可以只施加在殼體34的配合部分(mating portion) 0又或者，可使用雙面 膠帶將殼體34連接到相機模塊10的剩餘部分。 有許多適當的粘膠模式可以採用。作為圖3所示的粘膠線50的替代，在此示例中， 虛線形粘膠線52施加在PCB 12上，並且一連串的粘膠點54施加在光學層疊體20的第一 透鏡元件22的周邊。當然，這些類型的粘膠模式50、52和54中的任何一種，以及任何其它 適當的模式，都可用於圖3和5所示的這三個位置中的任何一個位置。殼體34從而以手動使用夾具(jigs)和固定裝置(fixtures)或者通過自動化的 殼體連接系統進行連接。相機模塊然後置於烘箱(oven)中使環氧樹脂硬化(在此示例中， 使用熱定型的粘膠連接殼體34)。這樣，就完成了相機模塊10的組裝，如圖6所示。雖然上述說明描述了用於組裝單個相機模塊10的技術，但是希望通過陣列處 理來生產多個相機模塊。這種技術顯示在圖7的各個繪圖中。在此示例中，採用矽晶 片70，其上包括有多個未分割的圖像傳感器72。晶片可為任何適當大小的晶片。例 如，可使用6英寸(inch)、8英寸或者12英寸的晶片。在此示例中，採用了貫穿矽通 孔(through silicon via, TSV)晶片。TSV技術在本領域是已知的，這類技術的示例 從Micron和STMicroelectronics可得到。眾所周知，TSV晶片已從晶片的底部表面向 圖像傳感器72的底部的接合墊(bond pad)構建了通孔。接合墊接頭通過再分布技術 (redistributiontechnology, RDL)穿過矽中的這些通孔被引導至底側，並且遍布整個底 側。這些TSV通孔填充有導電和介電材料，並且終止於底側，在後一階段焊球將連接在該底 側。以類似於圖3和4所示及隨同說明所描述的方式，光學層疊體74連接到晶片70 上的各圖像傳感器72。連接有多個光學層疊體74的晶片70顯示為76。連接到晶片70上 的一個圖像傳感器72的一個光學層疊體74的放大視圖，顯示為78。接著，通過稱為傳遞模塑(transfer molding)的常規模塑工藝，將晶片上的光學 層疊體74以模塑材料80進行封裝，在模塑材料中限定出開口 82，以使光能夠進入光學層疊 體74中，以到達圖像傳感器72。以模塑材料80封裝光學層疊體74的晶片70，顯示為84。然後，TSV晶片70中的填充有導電材料並終止於底側的通孔(未示出)，經過焊 球連接處理，以便後續的與電子電路(未顯示)的連接。焊球連接處理可以是回流處理
6(reflow process)。連接有焊球86的晶片70顯示為88。連接有焊球86的晶片70的一個 圖像傳感器72的放大視圖顯示為90。接下來，晶片70通過常規方式被鋸(saw)分割，模塑材料80也通過常規方式被鋸 分割。例如，對晶片70和模塑材料80的切割可從組件的相反側進行。或者，可在單步驟中 使用鋸從組件的同一側分割模塑材料中的晶片70。或者，組件可通過任何常規方式分割成 單獨的相機模塊。組件分割完成後，就生成了多個組裝的相機模塊92。這種多個相機模塊 92的示例顯示為94。其中一個相機模塊92的放大視圖顯示為96。應當領會，本文所公開的技術提供了一些勝於現有技術的優點。可相信，在此說明 的技術是首次在相機模塊組裝中將光學層疊體或者任何類型的透鏡直接連接到圖像傳感 器的矽。可相信，在其它組裝方法中，光學元件要麼是連接到與圖像傳感器的矽相連接的蓋 玻璃，要麼是連接到連接有圖像傳感器的PCB，要麼是連接到與PCB相連接的透鏡殼體。通過將光學層疊體直接連接到圖像傳感器，透鏡元件離圖像傳感器的距離的總體 公差等級被大大地減小。例如，在使用蓋玻璃並且將光學元件連接到蓋玻璃的技術中，蓋 玻璃可通常具有300至500微米的厚度和10至100微米範圍內的公差。通過本文教導的 技術，已發現，透鏡元件離圖像傳感器的距離的總體公差能夠減小到小於5微米的等級。除 了顯著地減小公差外，本文教導的技術消除了將蓋玻璃連接到傳感器的材料成本和製造時 間。此外，可相信，相機模塊組裝的現有技術並沒有使用傳遞模塑來封裝光學層疊體， 以形成相機模塊的殼體。此外，可相信，傳遞模塑未曾被用於封裝各自連接有光學層疊體的 圖像傳感器的整個晶片。此外，可相信，組裝相機模塊的現有技術未曾在晶片底側的相反側連接有光學元 件時，將焊球連接到終止於整個晶片的底側的TSV通孔。類似地，當傳遞模塑體已設置在其 相反面時，上述情況先前也未做過。此外，可相信，組裝相機模塊的現有技術未曾教導，在已連接光學元件和傳遞模塑 體時，對整個晶片進行分割。如前所述，許多其他類型的相機模塊包括殼體和以螺紋方式容納在殼體中的透鏡 組件。在這類布置中，透鏡組件被旋轉直到在圖像傳感器處的圖像被正確地聚焦。這時，透 鏡組件將相對於殼體被固定。可看出，本文教導的技術因為沒有運動部件，所以優於這類可 調節聚焦技術。此外，因為沒有運動部件，所以不會有由於部件的相對運動而產生的顆粒， 這些顆粒可能引起圖像傳感器的有效區域的玷汙。由於透鏡元件相對於圖像傳感器的準確 位置和小公差，所以生成聚焦良好的圖像。此外，通過使用TSV晶片，消除了一些部件，例如基板、殼體和用於引線接合(wire bonding)的金線(gold wire)。這有助於改進和降低製造這類相機模塊的成本。上述對本發明的說明是用於圖示和說明。並且，上述說明並不意圖將本發明限制 為本文所公開的形式。雖然已就多個示例性方面和實施例進行上述說明，但是本領域技術 人員將能識別一些變型、修改、變換、增加和其子組合。相應地，應當理解，本文說明的電路 部件的特定值可以改變並且可實現同樣的目標。本文所給出的值僅為示例性的。因此，本 文的意圖是，所附權利要求和此後引入的權利要求應解釋為在它們的真實精神和範圍之內 包括所有這些變型、修改、變換、增加和子組合。
權利要求
一種相機模塊組件，包括基板；結合到基板的圖像傳感器；和直接連接到圖像傳感器的光學層疊體。
2.根據權利要求1的相機模塊，其中，光學層疊體經由粘膠、環氧樹脂、粘接劑或者膠 帶中的至少一種連接到圖像傳感器。
3.根據權利要求1的相機模塊，其中，還包括結合到基板和光學層疊體的殼體。
4.根據權利要求3的相機模塊，其中，殼體經由粘膠、環氧樹脂、粘接劑或者膠帶中的 至少一種結合到基板和光學層疊體。
5.一種相機模塊組件，包括 圖像傳感器；和直接連接到圖像傳感器的頂部表面的光學層疊體。
6.根據權利要求5的相機模塊，其中，還包括模塑材料，所述模塑材料部分地封裝光學 層疊體，並且限定出穿過模塑材料的開口以容許光穿過模塑材料到達光學層疊體。
7.根據權利要求6的相機模塊，其中，還包括直接連接到圖像傳感器的底部表面的基 板，其中，所述基板具有通孔，所述通孔從基板的外部表面延伸穿過基板，直到圖像傳感器 的底部表面上的接合墊。
8.根據權利要求7的相機模塊，其中，所述通孔填充有導電材料，並且焊球在基板的外 部表面連接到所述通孔。
9.一種用於生產相機模塊的方法，包括 提供包括多個圖像傳感器的晶片；將光學層疊體直接結合到各圖像傳感器；通過傳遞模塑體部分地封裝光學層疊體，留出穿過傳遞模塑體的開口以容許光通過傳 遞模塑體；以及將組件分割為獨立的相機模塊。
10.根據權利要求9的方法，其中，晶片包括穿過晶片的導電通孔，並且在晶片的外部 表面將焊球連接到通孔。
11.根據權利要求10的方法，其中，通孔從晶片的外部表面延伸到圖像傳感器上的接合墊。
12.根據權利要求9的方法，其中，各光學層疊體包括一個或多個透鏡元件，各透鏡元 件距圖像傳感器為指定距離，並且各指定距離的公差不大於5微米。
13.一種用於生產相機模塊的方法，包括 提供具有圖像傳感器的基板；以及將光學層疊體直接結合到圖像傳感器。
14.根據權利要求13的方法，其中，還包括將殼體直接結合到基板的步驟，並且殼體設 置成圍繞圖像傳感器和光學層疊體。
15.根據權利要求13的方法，其中，結合光學層疊體和結合殼體的步驟包括使用粘膠、 環氧樹脂、粘接劑或者膠帶中的至少一種。
16.根據權利要求14的方法，其中，殼體包括上部埠，以容許光穿過殼體。
全文摘要
一種用於組裝相機模塊的技術，其包括將光學元件，例如光學層疊體，直接連接到圖像傳感器的頂部表面。可將殼體設置成部分地圍繞光學層疊體。或者，可通過傳遞模塑工藝來設置殼體。此技術可應用於陣列處理場合，並且焊球可連接到圖像傳感器的底部，以提供高效率生產的、低成本的相機模塊。
文檔編號H04N5/225GK101981913SQ200980111373
公開日2011年2月23日 申請日期2009年2月19日 優先權日2008年2月22日
發明者古安·H·伊歐, 哈普尼特·辛, 艾爾米娜·卡皮奧 申請人:弗萊克斯電子有限責任公司