CMOS图像传感器晶圆级封装技术

CIS的功能是将光信号转换为电信号，并通过读出电路转为数字化信号，根据结构技术可将其分为前照式(FSI)、背照式(BSI)和堆栈式(Stacked)三种，堆栈式CIS是未来的主流⽅向。

CIS由感光电路与信号转换电路组成，CIS将光信号转换为电信号，并通过读出电路转为数字化信号，CIS广泛应用于视觉领域，是摄像头的核心组成部分。

CIS由感光电路与信号转换电路组成，CIS将光信号转换为电信号，并通过读出电路转为数字化信号，CIS广泛应用于视觉领域，是摄像头的核心组成部分。

CIS主要应用于消费电⼦、汽车、安防、医疗四⼤领域，其中⼿机CIS市场规模最⼤。汽车CIS技术壁垒较⼿机CIS⾼，更追求稳定性与安全性。

CIS封装最初采用的是带有玻璃盖板的陶瓷封装，例如Amkor公司的VisionPak就是⼀种陶瓷⽆铅芯片载体。这种⽅案比较昂贵⽽且会占用很⼤的相机内空间。20世纪末晶圆级封装(WaferLevel Package WLP)技术逐步发展起来，其优势在于尺⼨小重量轻和成本低，并逐渐引起⼤家的关注。2007年3月，日本 Toshiba公司首次展出采用硅通孔(ThroughSilicon Via,TSV)技术的WLP小型图形传感器模组，该技术不仅提供用于模块集成的完全密闭的器件，使由污染颗粒所导致的CIS成品率损失⼤⼤降低，还具有当时业界最小尺⼨和质量、有效降低寄⽣效应、改善芯片运⾏速度和降低功耗等优点。

1. 激光钻孔技术

激光钻孔技术主要应用于消费类图像传感器封装,封装⼯艺流程如图所示:

先采用光刻胶在光玻璃上制作围堰，空腔⼤小根据芯片传感器区域确定，再通过晶圆永久键合将来料预处理好的晶圆和带围堰玻璃进⾏键合。键合片通过机械研磨达到预设厚度，再通过⼲法蚀刻去除应⼒。通过涂布曝光显影和⼲法刻蚀形成双台阶通孔，双台阶厚度配比根据客户要求总厚度和⾦属PadPitch来决定。为了增强芯片可靠⽣，通常采用预切割⽅式达到芯片包边的效果，采用机械切割打开切割道，切⼈围堰。再通过喷涂⼯艺在硅基表面形成⼀层聚合物绝缘层,聚合物绝缘层不但能达到绝缘效果，同时还能形成侧边保护，阻碍⽔汽对芯片的侵蚀。采用激光打孔技术直接穿透绝缘层和 ⾦属Pad,再溅射Ti/Cu种⼦层,通过电镀和化学镀⼯艺形成互联线路，将Pad信号引到晶圆背面，为了保护线路在表面涂布⼀层阻焊层，光刻形成焊盘开⼝，再通过印刷⼯艺形成焊球,最终通过切割形成单颗封装完成的芯片。下图是激光钻孔技术封装成品的外观图和SEM 图。

2. 平面停留技术

平面停留⼯艺和激光打孔⼯艺流程类似，主要应用于安防监控芯片和车载影像芯片,通过光刻使⾦属重布线层(RedistributionLayerRDL)和⾦属Pad直接接触连接,该连接⽅式接触面积更⼤，可靠性更好，同时解决了部分BSI/StackWafer不能打孔的问题。平面停留⼯艺流程如下图所示，涂布完绝缘光刻胶后通过光刻显影去除⾦属Pad上⽅的绝缘胶，再通过整面⼲法刻蚀⽅式去除Pad最表层的⼆氧化硅绝缘层从⽽暴露Pad，后续制程和激光打孔⼯艺类似.下图是平面停留技术封装成品的外观图和SEM图。

双层晶体管像素堆叠式CMOS图像传感器技术。传统CMOS图像传感器的光电⼆极管和像素晶体管分布在同⼀基片，⽽索尼的新技术将光电⼆极管和像素晶体管分离在不同的基片层。与传统图像传感器相比，这⼀全新的结构使饱和信号量,约提升⾄原来的2倍，扩⼤了动态范围并降低噪点，从⽽显著提⾼成像性能。采用新技术的像素结构，⽆论是在当前还是更小的像素尺⼨下，都能保持或是提升像素现有的特性。

3. 堆叠式CMOS图像传感器结构

(传统的）堆叠式CMOS图像传感器的堆叠式结构中，背照式像素组成的像素芯片堆叠在逻辑芯片之上，⽽信号处理电路构成了逻辑芯片。在像素芯片内，用于将光转换为电信号的光电⼆极管和用于控制信号的像素晶体管在同⼀基片层并列。在这样的结构限制下，如何实现饱和信号量的最⼤化，对实现⾼动态范围、⾼图像质量的摄影具有重要作用。

索尼开发出的全新结构是堆叠式CMOS图像传感器技术的⼀项进步。索尼使用专有的堆叠技术，将光电⼆极管和像素晶体管封装在分离的基片上，⼀个堆叠在另⼀个上面。

相比之下，在传统的堆叠式CMOS图像传感器中，光电⼆极管和像素晶体管并排位于同⼀基片上。新的堆叠技术支持采用可以独立优化光电⼆极管和像素晶体管层的架构，从⽽使饱和信号量相比于传统图像传感器增加约⼀倍，进⽽扩⼤动态范围。

此外，因为传输门 (TRG) 以外的像素晶体管，包括复位晶体管 (RST)、选择晶体管 (SEL) 和放⼤晶体管 (AMP)，都处于⽆光电⼆极管分布这⼀层，所以放⼤晶体管（AMP）的尺⼨可以增加。通过增加放⼤晶体管尺⼨，索尼成功地⼤幅降低了夜间和其他昏暗场景下图像容易产⽣的噪点问题。

这项新技术使动态范围扩⼤并降低了噪点，将避免在有明暗差（例如背光设置）的场景下曝光不⾜和过度曝光的问题，即使在光线不充⾜（例如室内、夜间）的场景下也能拍摄⾼质量低噪点的图像。

索尼将通过双层晶体管像素技术致⼒于实现更⾼质量的成像，例如智能⼿机拍摄等。