关于CMOS图像传感器封装标准的探讨

肖汉武

（中国电子科技集团公司第五十八研究所,江苏 无锡 214035）

0 引言

与电荷耦合器件 （CCD:Charge Coupled Device）一样,互补金属氧化物半导体 （CMOS:Complementary Metal Oxide Semiconductor）图像传感器属于光敏器件或称感光器件,其封装中通常采用一个光学玻璃盖板对封装腔体内的芯片进行保护。根据CMOS图像传感器封装结构的不同,CMOS图像传感器通常有塑料封装和陶瓷封装两种主要的封装形式。

图像传感器芯片的塑料封装与普通集成电路的塑料封装不同,其需要在封装内部形成一个空腔结构,空腔上方采用光学玻璃盖板进行密封,玻璃盖板的作用除了保护芯片免受外部环境污染外,另一个重要的作用是便于光线进入芯片表面感光单元,在该封装结构中,仅仅只有芯片安装基底材料为塑料材质。图像传感器芯片塑料封装示意图如图1所示。

图1 图像传感器芯片塑料封装示意图 [1]

CMOS图像传感器芯片的陶瓷封装则与普通集成电路的陶瓷封装基本相同,两者都采用了空腔型封装结构。图像传感器芯片陶瓷封装实例如图2所示。

两种封装形式中都是采用光学玻璃盖板对封装腔体进行密封 （又称封帽）,密封材料主要为有机胶,如环氧胶、UV胶等,采用胶粘接工艺 （简称粘盖）进行封帽。

图2 图像传感器芯片陶瓷封装实例 （源自CMOSIS公司CMV12000，μPGA 237封装）

目前,CMOS图像传感器封装形式主要包括无引线芯片载体 （LCC:Leadless Chip Carrier）、 针栅阵列 （PGA:Pin Grid Array）、双列直插封装（DIP:Dual In-line Package） 和球栅阵列 （BGA:Ball Grid Array）等几种类型。其中,LCC、BGA封装主要用于小尺寸的芯片,DIP和PGA封装则多用于引脚数超过100、尺寸较大的芯片。

CMOS图像传感器在我国已经广泛地应用于数码相机、手机摄像头、电脑摄像头、视频电话、扫描仪、交通监控、安保系统和汽车倒车视像系统等消费类产品中[2],部分应用于航空、航天等高端领域。国内有多家企业或研究机构开展了CMOS图像传感器的封装制造和研发工作,但所使用的标准主要还是引用通用集成电路封装相关标准和规范,或自建规范,缺乏一个统一、权威的行业标准或规范。

国际上关于CMOS图像传感器芯片封装的规范主要是欧洲空间局 （ESA:European Space A-gency）发布的ESCC 9020[3]:Photosensitive Charge Coupled Devices and CMOS Imaging Sensors with Hermetic and Non-hermetic Packages,这几乎是目前关于CCD和CMOS图像传感器芯片封装的唯一可检索到的规范。

1 ESCC 9020简介

1.1 ESCC 9020概述

ESCC 9020是针对空间应用的CCD和CMOS图像传感器器件的一个通用规范,涉及图像传感器芯片的质量控制、筛选、鉴定、采购和交付过程等,适用于气密性封装和非气密性封装的CCD和CMOS图像传感器芯片。

ESCC 9020规范的主要内容包括图像传感器封装产品的检测、试验方法以及交付时所需的有关鉴定考核、周期考核等数据编制的要求。

1.2 ESCC 9020中引用文件

作为ESA发布的一个专门针对图像传感器封装的通用规范,ESCC 9020引用了ESCC元器件（ESCC Components） 的17个基本规范 （ESCC Basic Specification）,涉及空间应用标准电子元器件的认证要求、内部目检、外部目检、SEM、总剂量稳态辐照测试方法和空间应用电子元器件的技术流程认证要求等内容。此外,其还引用了一些包括空间材料筛选的热真空试验、美军标MIL-STD-883微电子试验方法和程序等其他文本。

ESCC 9020中所引用的全部规范、其他文本如表1所示。

表1 ESCC 9020引用规范列表

另外,ESCC 9020规定了这些引用文件的适用优先等级,其顺序依次为ESCC产品详细规范、ESCC通用规范、ESCC基本规范和其他引用文本。

1.3 ESCC 9020规范的组成

ESCC 9020规范共包括12个章节,各章节的详细内容如表2所示。

表2 ESCC 9020规范组成部分

1.4 ESCC 9020主要内容介绍

ESCC 9020第五章为生产控制,分为3个小节。第一小节为基本要求,明确了所有的用于鉴定及鉴定维护 （Qualification and Qualification Maintenance）、批确认试验的器件须参照本规范第十二章中的图表F2中的要求及顺序进行试验和检测,规定禁止组装过程中的引线键合返工。第二小节为晶圆批验收要求,规定须提供工序监控检查 （仅针对通过鉴定的器件）、扫描电镜SEM检查、总剂量辐照试验和晶圆批验收相关文本文件。第三小节为特殊工艺控制要求,包括内部目检、引线键合强度、芯片剪切强度或衬底结合强度、物理尺寸检查、几何尺寸检查、颗粒标定 （Particle Mapping）、涂覆层剥离、拉脱强度、器件重量和特殊工艺控制相关文本文件等要求。

ESCC 9020第六章为筛选试验,分为5个小节。第一小节为基本要求,明确所有的用于鉴定及鉴定维护 （Qualification and Qualification Mainte-nance）、批确认试验的器件须参照规范中图表F3中的试验项目及顺序实施。第二小节为失效判据,包括环境和机械试验失效、参数漂移失效、参数超标失效和其他失效的相关判据等4个分小节。第三小节为失效器件。第四小节为批失效,包括100%试验和抽样试验两种状态下的批失效。第五小节则是关于筛选试验的相关文件编制。

ESCC 9020第七章为鉴定试验、鉴定维护和批验证试验相关规定,共分为9个小节。第一小节为鉴定试验,明确参照本规范中图表F4中的试验项目和顺序实施进行试验,并对鉴定试验的样品分配进行了规定。第二小节规定了采用经过验证的工艺流程生产的器件的鉴定试验要求。第三小节为鉴定维护试验（周期试验）,对试验样本数、周期等进行了规定。第四小节为批验证试验相关规定。第五小节为失效判据,包括环境和机械试验失效、电学失效和其他失效的相关规定。第六小节为失效器件,对失效的定义、失效分析和失效样本的处置进行了规定。第七小节为批失效的相关规定。第八小节是对参与鉴定试验、鉴定维护和批验证试验的样本的规定。第九小节为鉴定试验、鉴定维护和批验证试验的相关文件编制的规定。

ESCC 9020第八章为试验方法及程序,共有21个试验方法,详细内容如表3所示。

ESCC 9020第九章为数据编制,共分为10个小节。该章节规定了用于每一个产品批次的鉴定试验、鉴定维护和采购过程的数据文件需以打印件或电子数据格式提供一套文件包,该文件包由9个部分组成,分别是:封面页、设备（试验和检测）清单、试验基准 （用于关联试验数据）清单、圆片批验收数据（图表F2）、特殊工艺控制数据 （图表F2）、筛选试验数据 （图表F3）、鉴定和周期检验 （必要时包括批确认试验数据）数据 （图表F4）、失效产品清单和失效分析报告和合格证。

ESCC 9020规定鉴定试验和周期试验由6个分组组成,分别是机械分组、环境分组、寿命分组、组装能力 （Assembly capability）分组、可焊性分组和对比分组 （Control subgroup）,其中,寿命分组和可焊性分组要求每12个月进行试验,机械分组、环境分组及组装能力分组则是每24个月进行试验,详细内容如图3所示。

表3 ESCC 9020规范中的试验方法

图3 鉴定试验、周期试验分组

显然,ESCC 9020试验分组方法与半导体器件的分组试验方法是不尽相同的。值得一提的是,按照ESCC 9020规范,内部气体分析 （即内部水汽含量分析）仅在适用时进行试验。事实上,空间用图像传感器封装多采用蓝宝石玻璃盖板进行密封,内部气氛分析试验时蓝宝石玻璃盖板很难被刺穿,测试通常无法进行。也就是说,组装能力分组中的内部气氛分析试验通常不作特别要求。

2 关于CMOS图像传感器封装的几点讨论

2.1 图像传感器封装的密封性定义

ESCC 9020对于CCD和CMOS图像传感器的气密性封装、非气密性封装的定义较为简洁。若一个封装从设计上或结构上能通过标准的密封测试,则认为是气密性封装；若无法通过标准的密封测试,则认为是非气密性封装。

图像传感器封装中玻璃盖板主要采用密封胶的粘盖密封方式,与其塑料封装基板一样,这些基板、密封胶均为有机高分子结构,分子链间隙通常较大,对水汽的渗透能力与标准的密封材料如玻璃、金属相差几个数量级。常见的一些密封材料的水汽渗透能力的比较如图4所示。

图4 不同密封材料的水汽渗透能力比较

因此,从基底材料、密封材料两个封装结构材料来看,目前主流的图像传感器的封装形式并不能达到真正意义上的气密性封装的要求[4]。

2.2 图像传感器封装的密封试验

ESCC 9020中的密封试验方法直接引用MILSTD-883中的方法1014,试验条件A、C或D,对应于国军标GJB 548B-2005《微电子器件试验方法和程序》中的方法1014.2[5],试验条件A、C或D。

众所周知,常规的细检漏采用氦气作为示踪气体,对于金属焊料、封接玻璃等密封材料,氦分子无法从中渗透,但图像传感器封装中的密封材料是能够透过氦分子的。虽然密封胶可以在很短的时间内暂时阻挡氦分子通过,但在密封试验的氦气加压过程中,氦气能够渗入密封胶体中并逐渐地进入封装腔体内。此过程类似于常规细检漏过程中器件表面的氦气吸附[6-7]。

对几种不同的密封胶粘盖的密封性能的对比试验显示,这些器件检漏开始阶段,测量漏率基本上超出拒收极限值R1,随着时间的推进,测量漏率逐步地下降,当时间接近最长停留时间t2时 （通常是1 h）,测量漏率通常都远低于拒收极限值R1。按照试验判据,这些器件的密封试验是通过的,即封装气密性合格。

然而,这种所谓的气密封装所使用的密封材料包括塑封基板本身并非气密,结构上并不符合气密性的基本定义,因此,即便图像传感器通过了标准的密封试验,其封装仍然不能称之为真正意义上的气密封装,而将其称为准气密封装更为准确。

3 结束语

图像传感器的封装尽管与普通集成电路的标准气密封装大同小异,都采用了空腔结构的封装形式,但是这类芯片的光学特性决定了其光窗玻璃盖板的密封多采用基于环氧胶的粘盖封帽工艺,同时对芯片安装的精度要求更是有别于常规的集成电路封装。这些特点决定了图像传感器的封装评价很难简单地参照或引用常规的集成电路的封装评价方法。目前,我国高可靠图像传感器封装的可靠性试验尚缺乏一个行业通用的规范或标准,多是直接引用ESCC 9020通用规范或参考GJB 548B-2005中相应的方法进行此类器件的可靠性试验。

现阶段我国高端图像传感器主要还是依赖进口,尤其是空间应用的图像传感器芯片更是如此。近年来,国产图像传感器芯片的研制过程已经取得了重大的进展,已有多家研究机构开展了高端CMOS图像传感器的研发工作并取得了成功,可以预测,高端CMOS图像传感器芯片的自主可控局面在不远的将来会实现突破。然而,图像传感器封装的国家层面的规范、标准仍然是空白,众所周知,一个行业标准或规范的建立是一个较为漫长、繁杂的过程,标准的滞后显然将不利于国产图像传感器芯片的快速研发,因此,现阶段开展图像传感器封装的相关国家规范、标准的建立、起草和制订是一件紧迫且有现实意义的基础工作,宜快不宜迟。

[1]陈榕庭.CMOS图像传感器封装与测试技术 [M].北京:电子工业出版社,2006.

[2]THORSTEN Matthias,GERALD Kreind,VIOREL Dragoi,et al.CMOS图像传感器晶圆级封装工艺的进展 [J].功能材料与器件学报,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]高辉,肖汉武.准气密空腔型外壳的封装技术 [J].电子与封装,2016,16 （11）:1-6.

[5]信息产业部电子第四研究所.微电子器件试验方法和程序: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集成电路的ESD设计技术 [J].电子产品可靠性与环境试验,2001,19（2）:16-21.