相机模块组装与测试的挑战.docx

相机模块组装与测试的挑战摘要相机模块的组装和测试工艺需要面对同标准封装工艺不同的独特挑战,这些挑战来在于杂质颗粒控制和材料选择两方面的特殊要求。近年来,在带有照相功能手机的推动下,图像传感器件的发展非常惊人。在过去的五年里,对CMOS传感器,即相机模块（图1）,封装的开发及其产能的发展都非常迅速同标准的组装工艺相比,这类技术面临着很多独特的挑战。一个现实的问题就是如何将半导体组装与光学技术结合在一起。组装相机模块的另一个挑战来自于对光学杂质颗粒的严格控制,其要求远超过标准组装工艺的要求。组装企业必须特别注意对光学杂质颗粒的控制,包括对仪器的控制、设备和材料的选择、对工艺流程的控制和对工艺线上操作员的严格要求。由于相机模块的发展太快,工业界已经没有足够的时间去建立测试和可靠性的工艺标准。组装企业必须与传感器芯片制造商、光学器件供应商以及原始设备生产商（OEM）协同作战共同面对这一挑战。表1列出了几种图像传感器采用的显示格式。上世纪九十年代后期,手机用的相机基本采用CIF格式,但这种格式的清晰度相对较低。自2000年始,VGA格式逐渐流行起来,到2004年,我们已经见到SXGA型或130万像素（MP）的产品问世。预计到2008年,有超过65%的移动电话将会支持相机功能（图2）即超过六亿部手机会带有相机。从图3所示的截面图中可以看到典型定焦相机模块的组成结构。模块一般采用芯片叠层实现,顶层是图像传感器芯片,下面是信号处理芯片。130万像素模块的定焦透镜系统包括支撑结构、透镜筒、红外滤镜以及三个或更多透镜单元。透镜单元的数量由光学设计的要求决定。红外滤镜的作用是消除引起传感器中产生噪声的长波辐射。带有无源器件的柔性电路板连接到多层基板的底部。当然从成本、尺寸、工艺的可行性和各种人为因素的角度考虑,不同的制造商在设计相机模块时选择不同的结构。致命颗粒在相机模块的组装中,杂质颗粒是造成成品率下降的首要原因90%以上的产品缺陷都与杂质颗粒有关。图4所示的是130万像素模块中与组装流程相关缺陷的帕托雷分布。为了保证器件尺寸相对较小,要求MP传感器的像素尺寸更小。目前大部分MP CMOS图像传感器的像素尺寸是2.8-3.3 祄。今年320万像素传感器的单个像素将缩小到2.2 祄左右。CCD传感器上的像素尺寸更小。芯片上允许最大杂质颗粒的尺寸等于1个像素的大小。在CIF和VGA相机模块中杂质颗粒控制已经成为组装的主要挑战,而MP传感器对杂质颗粒控制的要求就更加严格。图像传感器芯片上杂质颗粒的情况如图5所示。对于组装工程师来讲,必须持续不断地减少组装中引入颗粒的数量。组装与测试图6所示的是基本的相机模块组装流程。该流程可分为五个单独的工艺流程：晶圆、基板、支撑结构、柔性电路板和最终模块。大部分的单独流程与标准的封装工艺相一致。但该流程也清晰地显示出其特殊性：需要另外考虑相机模块的组装与测试。此外,为了保证严格的杂质颗粒控制,需要对普通的封装工艺加强管理。在晶圆工艺流程中,分割工艺是最为关键的一步,因为在这步工艺中很容易产生硅杂质颗粒。为了减少传感器区域的硅杂质颗粒沾污,需要对分割工艺进行优化。在基板工艺流程中,为了消除杂质颗粒需要进行多次不同的清洗与检测。为了减少杂质颗粒,通常采用真空清洗。然而,随着像素尺寸的缩小,湿法清洗作为更有效的清洗手段已经被逐渐采用。目前市场上已经可以见到多种用于图像传感器产品的湿法清洗设备。尽管检测会增加成本,但为了保证工艺流程中不引入杂质颗粒,在工艺流程中的各个阶段进行检测还是不可缺少的。支撑结构工艺流程是相机模块所特有的一组工艺。在这部分工艺中,按照要求尺寸切割红外玻璃将被安装到支撑结构上。完成组装的支撑结构也要进行清洗和检测。之后在已将器件引线键和完毕的基板上安装支撑结构。另一个特殊的工艺是插入透镜筒,在这一工艺中要将透镜筒安装到支撑结构上。对于相机模块来说,模块的组装工艺也是很特别的。在这一工艺流程中,先将透镜筒对好焦,之后将其锁定在支撑结构上,然后对模块进行电学、光学以及与杂质颗粒相关的失效测试。在过去几年里,这一独特的工艺要求对封装厂家提出了巨大挑战。晶圆、基板、支撑结构和柔性电路板这些工艺流程包含很多常见的自动工艺步骤。其中的例外是插入透镜筒,这一工艺目前都是手工完成的,但将来可以实现自动操作。最终模块组装这部分工艺相对来说自动化程度较低,尽管一些制造商已经做了很多改进来实现工艺流程的全自动化,但该部分工艺目前仍需要特殊的考虑。柔性电路板上的连接通常在热板系统上完成。柔性电路板连接一般使用标准的表面组装技术实现,该项技术往往使用普通的铅锡共晶合金。但这种合金的熔化温度要高于透镜系统所能承受的最高温度。目前大部分的相机模块还是使用塑料透镜系统,或玻璃与塑料透镜单元混合的系统。由于塑料透镜已经对焦完毕,并且位置已被锁死固定,在柔性电路板连接过程中能否将透镜系统的温度保持在允许范围内就变得非常关键。如果在柔性电路板连接过程中透镜过热,模块的对焦将失效,该产品只能废弃或返工。作为一种替代方案,可以在插入透镜筒之前先用标准的表面组装技术和材料完成柔性电路板的连接。在这种情况下,透镜筒的插入和对焦只能在柔性电路板连接之后进行。这样模块工艺流程中只能使用悬空的柔性电路板,这将不利于生产自动化的实现。这一工艺流程的优点在于可以消除单独的热板柔性电路板连接工艺。基于成本、成品率以及自身生产自动化程度的考虑,制造商们通常在这两种柔性电路板连接方案之间做出选择。设备控制表2所示为每一工艺步骤对超净间的要求。工艺中芯片暴露的比例对杂质颗粒控制程度相当敏感。直到模块被安装到透镜系统之后,组装都应在100级的超净环境中进行。但对标准的或高级封装组装来讲,并不需要这样严格的生产条件。这种要求也导致了成本的增加。在图6所显示的五个单独工艺流程中,晶圆、基板和支撑结构流程对与杂质颗粒相关的缺陷最为敏感。这是由于在这几个流程中,传感器芯片一直暴露在外面。一直到透镜筒插入工艺为止,都推荐在100级的超净间中进行操作,剩下的组装工艺可以在10,000级的超净环境中进行。超净间的实际杂质颗粒数量必须定期检查并作为一项制度坚持下来,举例来说,杂质颗粒探测器应安装在靠近那些芯片会暴露在环境的工艺区域。这样的安排可以在关键位置保证真实杂质颗粒浓度达到控制要求。设备的内部环境也需要定期地进行杂质颗粒检测。事实上可能发生如下的情况：超净间的杂质颗粒级别得到了很好的控制,而仪器内部的杂质颗粒数目却超过了100级超净间的要求。在仪器内部进行适当的空气流动是降低杂质颗粒水平的关键。保持仪器通风或是将其完全封闭是保持仪器内部杂质颗粒水平达标的常用方法。组装工艺线的布局也是需要特别关注的地方。在超净间内部进行平滑、分层的空气流动对减少杂质颗粒数目来说非常关键。布局时必须在仪器、操作台和储放架之间留有足够的空间。一个较为合理的相机模块组装工艺线同标准的封装工艺线相比布局显得更为稀疏。组装过程中的清洗在整个工艺流程中,还需要对清洗和检测环节进行仔细考虑。所有的组装型架、固定零件、转移用的框架和托盘在进入100级的超净间环境之前都需要进行清洗。通常采用超声湿法清洗完成对这些零件的清洗。在背面减薄过程中,芯片的上表面被粘结在蓝膜上,而蓝膜也会产生杂质颗粒。标准背面减薄用的蓝膜在芯片粘片之前如果经过湿法清洗处理是可以用于相机模块的晶圆工艺中。在晶圆切割时,产生的硅杂质颗粒是杂质颗粒沾污的主要来源。标准切割工艺中使用去离子水进行清洗,这对去除硅微尘来说是不够的。还需要在晶圆切割工艺中采取如下两个步骤减少硅杂质颗粒沾污。首先,需要优化切割工艺,减少硅微尘在晶圆上的聚集。举例来说,有研究表明,两次切割方法产生的与微尘相关的污染比标准的一次切割要少。另外,晶圆切割之后再进行一次单独的湿法清洗工艺,这对进一步减少硅杂质颗粒污染很有帮助。已经完成切割的晶圆在进入芯片粘结工艺之前还需进行清洁程度的检测。在相机模块中,高分子多层基板的使用呈上升趋势（同陶瓷基板相比）。在进行芯片粘结之前,这些基板必须进行超声湿法清洁。芯片粘结之后,该单元需要再次进行清洗。用真空吸取将每个传感器固定在基板上,加以离子化空气吹拂完成干法清洗。进行这项操作时,需要将基板倒置（芯片朝下放置）,这样杂质颗粒较容易脱落。图7所示的是在芯片粘结和引线键合之后的半自动干法清洗设备。为了更有效地去除杂质颗粒,引线键合工艺之后还可采用湿法清洗。这时的湿法清洗一般在惰性环境中用超声完成。在装配流程中,对红外玻璃的切割也应按照晶圆切割的清洗标准完成。在红外玻璃粘结到支撑结构之后,作为次级封装部分的支撑结构还要组装到基板上,基板上的芯片已完成粘结和引线键合。在粘结支撑结构之前,必须先完成该次级封装结构的清洗和检测。粘结前对支撑结构进行湿法清洗可以极大地减小杂质颗粒数目并提高成品率。其余的相机模块组装流程和柔性电路板的工艺流程可以在10,000级的超净环境中完成。在这些阶段,由于传感器芯片和红外玻璃已经完成组装,相机模块对杂质颗粒造成的缺陷就不那么敏感了。洁净室中设备清洁的方法和频率必须进行优化。例如,如果没有进行经常性的清洁,粘结剂固化炉将会成为一个巨大的污染源。随着工艺条件的不断改善,会得到更高的组装成品率,这样就可以省去一些检测步骤,或者减少检测的样品空间,从而达到降低工艺成本的目的。设备和材料选择在操作过程中,设备的制作材料和设计结构都会影响到杂质颗粒的产生。所有的操作区域和设备可移动的部分都需要从材料选择和结构设计两方面进行优化,尽可能地减少由摩擦产生的杂质颗粒。MP模块的组装对设备的要求比普通工艺流程更为严格。举例来说,为了完成传感器中心对准,MP模块上需要有精确的光学中心。目前VGA设计的要求是50到75祄,而MP设计的要求是25到50祄。在相机模块的组装中,用到的标准封装材料有硅芯片、键和金丝、高分子多层基板、陶瓷基板、柔性电路板、无源器件和连接器。但也有一些其他的专用于相机模块的材料。在粘结剂的选择上,由于具有潜在污染的可能,放气性能需要作重点考虑。如果粘结剂的放气率较高,那么其固化过程中污染传感器的表面或者红外玻璃。支撑结构和透镜筒用到的塑料材料包括液晶高分子（LCPs）、聚苯硫醚（PPSs）、氧化聚苯醚（PPOs）和聚碳酸脂/丙烯腈-丁二烯-丙烯酸酯共聚物（PC/ABSs）。材料选择的一项重要标准是其能否承受粘结剂的固化温度。同PPOs和PC/ABSs相比,LCPs和PPSs开始变形的温度要高一些。正因如此,在支撑结构和透镜筒使用的材料中LCPs和PPSs被广泛使用。对定焦模块来说,根据不同的测试方法,调试焦距过程中会将透镜筒拧紧或拧松。因此在将透镜筒插入到支撑结构的步骤以及对焦调试时,适当地选择支撑结构和透镜筒的材料,并进行组合可以有效地减少杂质颗粒的产生。采用LCP和PPS作为支撑结构和透镜筒的制造材料进行一组对比试验,将每种材料制作的零件进行两两组合。每组材料组成的零件之间都进行模拟对焦操作,之后检查红外玻璃上的杂质颗粒污染的情况。LCP材料在红外玻璃上不留任何杂质颗粒,而采用PPS材料的零件会产生少量杂质颗粒。对比试验的结果总结在表3。对于红外滤镜来说,红外涂层材料会产生杂质颗粒。根据采用的涂层材料和工艺不同,在工艺流程和可靠性测试过程中可能产生片状杂质颗粒。每种红外滤镜在使用之前都要在接近真实的工艺条件下以及可靠性测试条件下进行测试,经过验证后才能使用,这样才可以保证涂层材料的完整。对工业标准的需求作为相机模块组装流程中不可或缺的两部分,对焦和涉及到光学测试的部分显得更特别一些。目前还没有针对对焦和测试方法的工业标准。每个器件制造商都使用自行开发的方法。这对组装厂商来讲,又成为一个挑战。因为为了能够集成某一器件制造商的产品,可能需要投入数百万美元进行设备改造但这种改造却不可应用于其他器件,或者需要昂贵的资本投入进行软件硬件修改。目前的图像传感器产业还缺乏相机模块需要的可靠性测试标准。针对13家相机模块制造公司进行的质量测试需求的调查,结果列于表4。高温存储、潮湿环境下加热和温度循环是所有公司比较具有共性的要求。除了上述几种测试方法之外,每个公司还有自己的附加测试,例如低温存储、机械冲击、振动等。调查的结果显示即便所有的模块都用于移动电话产品,但不同的公司之间的要求差异仍很大。着眼于未来,为了提高工艺流程、材料选择的效率和降低成本,需要对相机模块制定相应的工业标准。总结从组装和测试角度考虑,应用于移动电话的相机模块产品还不完全成熟。在三到四年间,该类产品从无到有,并迅速发展成大规模的