CN101730863B - 相机模块及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

所开的制造相机的方法包括：提供光学元件堆叠；提供集成电路图像捕捉装置(ICD)，图像捕捉装置具有带传感器阵列的顶面；刚性贴附光学元件堆叠到图像捕捉装置的顶面；提供具有穿通其的开口和围绕所述开口的凹陷的基板；以及贴附图像捕捉装置到基板，使图像捕捉装置的边缘设置在凹陷中，并且光学元件堆叠伸延通过开口。该方法还包括提供第二基板(例如，主机PCB)，并且将基板安装在第二基板上，以将相机模块贴附到主机装置。作为选择，基板通过回流焊接工艺安装到第二基板。

Description

相机模块及其制造方法
技术领域
本发明总体上涉及电子装置，特别是，涉及数字相机模块。更具体地讲，本发明涉及可以回流焊接到主机装置的简化晶片级相机模块的设计。
背景技术
数字相机模块通常结合在各种主机装置中。这样的主机装置包括移动电话、个人数据助理(PDA)和计算机等。因此，消费者对主机装置中数字相机模块的需求继续增长。
主机装置制造商希望数字相机模块更小，以便它们可以结合在主机装置中而不增加主机装置的总体尺寸。此外，主机装置制造商希望相机模块最低限度地影响主机装置的设计。在满足这些需求中，主机装置制造商希望相机模块捕捉尽可能高质量的图像。当然，以最小生产成本设计满足这些需求的相机模块是相机模块制造商追求的目标。
传统的数字相机模块通常包括透镜组件、壳体、印刷电路板(PCB)，和集成的图像捕捉装置(ICD)。典型地，部件分开成形并随后装配而形成数字相机模块。也就是说，ICD贴附到PCB，然后壳体贴附到PCB，以便ICD由壳体的底部覆盖。然后，透镜组件安装到壳体的相对端，以聚焦入射光到ICD的图像捕捉表面上。典型地，透镜组件包括倾斜表面(例如，螺纹、凸轮、斜面等)，该倾斜表面与形成于壳体上的互补的倾斜表面接合，使得通过在壳体内旋转透镜组件而实现适当的聚焦。在透镜组件相对于图像捕捉表面适当地位移之后，透镜相对于壳体固定(例如，通过粘接剂、热焊接等)。ICD电连接到PCB，PCB包括用于ICD的多个电接触，以传输图像数据到主机装置来处理、显示和存储。
在制造这些相机模块中，相机模块制造商遇到许多问题。作为一个示例，裸ICD管芯当暴露于诸如灰尘和/或其它颗粒碎片的污染物时极易受污染。此外，当暴露于相机模块装配中采用的材料(例如，粘接剂)和工艺(例如，壳体贴附、模制、透镜贴附等)时ICD极易受影响。污染物典型地导致有缺陷的图像捕捉装置的报废，这可能极其昂贵，尤其是产率损失较高时。为了最小化污染物，相机模块必须在等级100的清洁室中装配。尽管装配后的相机模块的图像捕捉装置对于来自相机模块外的污染物进行了防护，但是它们仍然易受内在产生的污染物的影响。这种内在污染物通常由滞留的灰尘、粘接剂和/或由相机模块内的摩擦磨损形成的颗粒导致。摩擦磨损典型地发生在组装工艺中(例如，在聚焦中)。具体地讲，在透镜组件的倾斜表面相对于壳体的倾斜表面摩擦时形成颗粒。相机装配后图像传感器的污染可能尤其昂贵，因为可能不得不报废整个相机模块。
相机模块制造商面对的另一个挑战是相机模块的部件非常小，因此，需要非常精密且因此昂贵的制作、装配和对准工艺。确实，随着相机模块部件所需数量的增加，对准工艺变得愈加困难。这是由于相机模块部件之间的严格的位置公差与连接图像捕捉表面到透镜的部件的数量成比例地累积。理想地，透镜应当全部同轴地垂直于平面图像捕捉表面的中心。然而，这典型地仅由下列各项总和限定的预定总公差内来实现，这些项为：ICD相对于PCB的公差，PCB相对于壳体的公差，壳体相对于聚焦/变焦装置的公差，以及透镜相对于聚焦/变焦装置的公差。
作为另一个示范性问题，相机模块典型地不能回流焊接到主机装置而不损坏相机模块。回流焊接是一个开发成熟和高效的电子制造工艺。因此，希望能使用回流焊接工艺来将相机模块贴附到主机装置。但是，已知的设备无法承受回流焊接连接。
因此，所需要的是相机模块更不易受图像捕捉表面的污染。同样需要的是相机模块可以在透镜和图像捕捉表面之间以更宽松的公差装配。也同样需要的是相机模块需要较少部件和较少的制造步骤。还同样需要的是相机模块能承受回流焊接工艺。
发明内容
本发明通过提供相机模块和制造该相机模块的方法而克服了现有技术的相关问题，本发明防护图像捕捉表面不受污染，具有宽松的装配公差，并且需要相对较少的部件和制造步骤。本发明有利于通过回流焊接工艺在主机系统中安装相机模块。
所公开的制造相机模块的方法包括：提供光学元件堆叠；提供顶面带传感器阵列的集成电路图像捕捉装置(ICD)；刚性贴附光学元件堆叠到图像捕捉装置的顶面；提供具有穿通其的开口和围绕该开口的凹陷的基板；以及贴附图像捕捉装置到基板，使图像捕捉装置的边缘设置在凹陷中，并且光学元件堆叠延伸通过开口。该方法还包括提供第二基板(例如，主机PCB)，并且安装该基板在第二基板上，以贴附相机模块到主机装置。作为选择，该基板通过回流焊接工艺安装到第二基板。
在特定的方法中，贴附图像捕捉装置到基板的步骤包括电连接图像捕捉装置上的一组电接触到基板上的一组互补电接触。在示范性方法中，电连接该组电接触到该组互补电接触的步骤通过倒装片管芯贴附工艺(flip-chip dieattach process)完成。另外，基板包括便于连接该基板到主机装置电路板的第二组电接触。
在所公开的示范性方法中，光学元件堆叠在贴附到图像捕捉装置的顶面之前与光学元件的多个类似的堆叠分开。光学元件堆叠在贴附到图像捕捉装置顶面之前被检验。光学元件堆叠包括腔体和限定到腔体中的开口的底面。刚性贴附光学元件堆叠到图像捕捉装置顶面的步骤包括粘接光学元件堆叠底面到图像捕捉装置的顶面的、围绕传感器阵列的区域，从而腔体在传感器阵列上方形成了密封的空气间隙。
在装配工艺中不需要聚焦操作。因此，在相机模块中不提供聚焦机构。
本发明还公开了新颖的相机模块。该相机模块包括限定穿通其的开口和围绕开口的凹陷的安装基板以及包括形成在ICD顶面上的传感器阵列的集成电路ICD。ICD安装在安装基板的凹陷中。凹陷的深度大于ICD的厚度，以便ICD的底面没有延伸超过安装基板的底面。相机模块还包括固定到图像捕捉装置顶面并延伸穿过安装基板中的开口的光学元件堆叠。相机模块没有任何聚焦机构。
在所公开的示范性实施例中，安装基板包括形成在凹陷表面上的一组电接触，并且图像捕捉装置包括形成在图像捕捉装置顶面上的一组互补电接触。图像捕捉装置通过在电接触器和互补电接触器的相关对之间形成电连接而安装在安装基板的凹陷中。
安装基板还包括电连接安装基板到主机装置电路板的第二组电接触。第二组电接触电连接到该组电接触，以连接图像捕捉装置的电路与主机装置电路板电路。
在所公开的示范性相机模块中，光学元件堆叠、图像捕捉装置和安装基板都可承受回流焊接工艺。
光学元件堆叠包括腔体和底面。底面限定到腔体中的开口。光学元件堆叠通过贴附光学元件堆叠的底面到图像捕捉装置的顶面而固定到图像捕捉装置的顶面。到腔体中的开口围绕传感器阵列，并且腔体在传感器阵列上方提供空气间隙。在特定实施例中，光学元件堆叠包括直接彼此接合的多个单独的透镜元件。
根据本发明的相机模块也可以描述为包括：包括在ICD顶面中形成传感器阵列的集成电路ICD、固定到所述图像捕捉装置顶面的光学元件堆叠以及通过回流焊接工艺贴附集成的图像捕捉装置到主机装置电路板的装置。
附图说明
现在，参照下面的附图描述本发明，其中相同的参考数字表示基本上类似的元件：
图1是安装在主机装置的印刷电路板上的相机模块的透视图；
图2是图1的相机模块的局剖透视图；
图3是在图1的相机模块的图像捕捉装置上的光学元件堆叠的截面图；
图4是图1的相机模块的安装基板的仰视透视图；
图5是安装在图4的安装基板中的图3的光学堆叠和图像捕捉装置的仰视透视图；
图6是用于制造图2、3和5的光学元件堆叠的多个透镜晶片的透视图；
图7是图6的透镜晶片的一部分的横截面图；和
图8是概述制造图1的相机模块的一种方法的流程图。
具体实施方式
本发明通过提供可承受回流焊接条件的简化的晶片级相机模块而克服现有技术的相关问题。在下面描述中，阐述了许多具体细节(例如，很多的透镜、环氧的类型、电接触类型等)，以便提供对本发明的透彻理解。然而，本领域的技术人员应当认识到，本发明可以脱离这些细节而实施。另一方面，省略了熟知电子组件实施和设备的细节，以免不必要地混淆本发明。
图1是根据本发明的一个实施例的相机模块100的透视图。所示相机模块100安装在印刷电路板(PCB)102的一部分上，该印刷电路板(PCB)102代表相机主机装置(例如，移动电话、PDA等)的主PCB。相机模块100通过多个导电迹线104与主机装置的其它部件电通信。装置106表示可以直接安装在PCB 102上的电子部件(例如，无源部件)。本领域的技术人员应当认识到，PCB 102的具体设计取决于具体的应用，并且不与本发明具体相关。因此，PCB 102、线路104和装置106实际上只是代表性的。
图2是相机模块100的局剖透视图，相机模块100包括图像传感器封装200、安装基板202和壳体204。图像传感器封装200包括集成电路图像捕捉装置(ICD)206和光学堆叠208。ICD 206包括顶面210，在其上光学堆叠208刚性贴附在图像捕捉表面212上方(如图3所示)。图像捕捉表面212包括光传感器阵列(未分别示出)。顶面210还包括一组接触焊垫214，其在该具体示例中为凸起的金凸点，以利于ICD 206倒装接合到安装基板202。本发明的该方面将参照后面的附图更详细地描述。
安装基板202包括光圈216(更明显地示出在后续图中)、底面218和顶面220。当图像传感器封装200倒装片安装到安装基板202时，光圈216提供容纳光学堆叠208的开口。底面218有利于使相机模块100安装到PCB102，并且包括一组电接触(图4)，以提供ICD 206和PCB 102之间的电连接。顶面220提供支撑面，在支撑面上可以形成或贴附壳体204。
在该具体实施例中，壳体204直接模制在顶面220上方和光学堆叠208周围，留下光圈222。壳体204的模制工艺在图像传感器封装200倒装片接合到安装基板202后执行。作为选择，壳体204可以预制(例如，模制)，然后通过某些适当的方法(例如，粘接剂、热焊接等)贴附到安装基板202。
图3示出了图像传感器封装200的截面图。光学堆叠208包括以堆叠关系彼此固定的三个透镜300、302和304，并且直接固定到ICD 206的顶面上。具体地讲，透镜300固定到顶面210，透镜302固定到透镜300，并且透镜304固定到透镜302。透镜300、302和304的每一个都包括顶面306和底面308二者。顶面306和底面308二者都包括平面的周边表面310，它们都彼此平行以利于堆叠。作为选择，顶面306和底面308可包括互补的对准特征，当接合时，对准特征彼此相对地适当定位透镜300、302和304。每一个底面308都限定到腔体312中的开口，这对透镜300特别重要，因为它防止图像捕捉表面314和透镜300之间的接触。此外，进入腔体312的开口周长大于图像捕捉表面314的外围周长，因而防止图像捕捉表面314和透镜300的底面308之间的接触。腔体312也提供在透镜300、302和304之间以及透镜300与图像捕捉表面314之间的空气间隙，这可为光学堆叠208的光学方法的一个重要特征。在本发明的该具体实施例中，透镜300的腔体312大约为40-50微米深。
当透镜元件300的底面308接合到ICD 206的顶面210时，图像捕捉表面314被完全密封。结果，图像捕捉表面314避免受颗粒污染。在本实施例中，光学堆叠208用光学级粘接剂贴附到ICD 206的顶面210，光学级粘接剂例如商业名称为Optocast 3553HM的商用粘接剂。可接受的接合线厚度为5±2微米。
无需聚焦机构，因此没提供。其原因是光学堆叠208的晶片级装配和光学堆叠208直接贴附至ICD 206非常精确。此外，现有技术遭受的公差叠加(累积)被有效地消除。
图4是安装基板202的仰视透视图。如所示，安装基板202包括第一组电接触402和第二组电接触404，电接触402和电接触404的相关对通过电连接器406连接。第一组电接触402提供通过回流焊工艺电连接安装基板202到PCB 102(图1)的装置。第二组电接触404形成在围绕开口216的凹陷的表面上，并提供电连接ICD 206至安装基板202的装置。电连接器406完成ICD 206电路和PCB 102电路之间的电连接。
图5是示出图像传感器封装200倒装芯片安装到安装基板202的仰视透视图。ICD 206完全设置在形成在安装基板202的底部中的凹陷内，使ICD不会干扰基板202安装到PCB 102上(图1)。光学堆叠208向上延伸通过开口216(图5中不可见)。接触402在安装基板202的底面上保持可见。
图6是在形成光学堆叠208中使用的三个玻璃晶片602、604和606的分解透视图。玻璃晶片602、604和606分别包括透镜阵列608、610和612，它们分别以适当的方法形成，如蚀刻/复制技术。在透镜阵列形成后，玻璃晶片垂直对准，以便每个单独的透镜与其它二个单独的透镜同轴对准。然后，玻璃晶片以堆叠关系彼此粘接，以准备用于将产生几个单独的光学堆叠208的一单独工艺。
作为选择，在将晶片分离成附带透镜堆叠的单独的ICD前，玻璃晶片602、604和606可以接合到包括如多个集成电路图像捕捉装置的晶片。然而，更难于同时分开透镜晶片和ICD晶片，这是因为分离需要在硅ICD晶片的有效区域上切割玻璃晶片。此外，在分离前将透镜接合到晶片减少了从玻璃晶片生产透镜的产率，这是因为透镜堆叠比ICD占据的面积小。因此，如果玻璃晶片在贴附到ICD晶片上之前被切割，则该透镜可以定位更加接近，而不是其间距必须匹配ICD的间距。
图7是彼此对准且粘接的玻璃晶片602、604和606的一小部分的截面图。在玻璃晶片彼此粘接后，透镜进行质量测试，然后沿线700切割而形成多个单独的光学堆叠208。在单独的光学堆叠208形成后，它们被清洗，并准备安装在ICD上。
图8是概述制造根据本发明的相机模块的一种方法800的流程图。在第一步802中，提供了单体的、测试过的透镜堆叠。例如，而非限定，加工两个或更多的玻璃晶片(2”-12”)以在单独玻璃晶片上利用蚀刻或复制技术形成微型光学元件。如上所述，底部玻璃晶片具有预定的腔体(大于ICD的图像捕捉表面)。然后，玻璃晶片堆叠且粘接在彼此顶上，以形成晶片级光学堆叠。然后，光学堆叠进行质量测试，并切割产生单体的、测试过的透镜堆栈。
接下来，在第二步804中，提供了传感器晶片(ICD的晶片)。例如，而非限定，传感器晶片(例如，8”-12”)经受金凸点形成工艺，以利于倒装片接合到基板。在金凸点形成后，传感器晶片经受背面研磨，以实现约120-250微米的厚度。
接下来，在第三步806中，传感器晶片分成单体，以产生分开的ICD。例如，而非限定，传感器晶片被切片，且载体晶片被贴附到传感器晶片的底部以提供刚度。然后，传感器晶片经受晶片清洗和/或等离子清洗，以保证每个单独ICD的传感器区域不受污染。
接下来，在第四步808中，单体的、测试过的透镜堆叠被贴附到ICD。在贴附期间，透镜堆叠光学地居中在ICD上，并用光学级环氧树脂或胶接合。然后，粘接剂被固化(如紫外线(UV)，加热等)，以完成接合工艺。
接下来，在第五步810中，带有贴附的透镜堆叠的ICD倒装片安装到安装基板上。然后，在第六步812中，壳体被贴附而形成相机模块。接下来，在第七步814中，测试每个照相模块。最后，在第八步816中，相机模块被贴附到主机装置的基板(例如，PCB)上。作为选择，该贴附通过回流焊接工艺实现。
现在完成对本发明具体实施例的描述。很多所描述的特性可以被替代、更改或省略而不脱离本发明的范围。例如，可以使用不同数量的透镜单元来形成安装在ICD上的光学堆叠。作为另一个示例，红外线滤光片可以集成在用以形成光学堆叠的光学玻璃中，从而减少完成模块所需部件的数量和装配的步骤。尤其就前面的公开而言，与具体实施例的这些和其它的偏离对本领域的技术人员将是显而易见的。

Claims (20)

1.一种制造相机模块的方法，该方法包括：
提供光学元件堆叠；
提供集成电路图像捕捉装置，所述图像捕捉装置具有带传感器阵列的顶面；
刚性贴附所述光学元件堆叠到所述图像捕捉装置的所述顶面；
提供基板，该基板具有穿通该基板的开口和围绕所述开口的凹陷；以及
贴附所述图像捕捉装置到所述基板，使所述图像捕捉装置的边缘设置在所述凹陷中，并且所述光学元件堆叠伸延通过所述开口。
2.如权利要求1所述的方法，还包括：
提供第二基板；
安装所述基板在所述第二基板上。
3.如权利要求2所述的方法，其中：
所述第二基板是主机装置的印刷电路板；并且
所述基板通过回流焊接工艺安装到所述第二基板。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述光学元件堆叠在贴附到所述图像捕捉装置的所述顶面之前与多个类似的光学元件堆叠分开。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述光学元件堆叠在贴附到所述图像捕捉装置的所述顶面前被检测。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述光学元件堆叠包括：
腔体；和
底面，限定到所述腔体中的开口。
7.如权利要求6所述的方法，其中所述刚性贴附所述光学元件堆叠到所述图像捕捉装置的所述顶面的步骤包括粘接所述光学元件堆叠的所述底面到所述图像捕捉装置的所述顶面的、围绕所述传感器阵列的区域，所述腔体在所述传感器阵列的上方形成空气间隙。
8.如权利要求1所述的方法，在所述相机模块中不提供聚焦机构。
9.如权利要求1所述的方法，其中所述贴附所述图像捕捉装置到所述基板的步骤包括电连接所述图像捕捉装置上的一组电接触到所述基板上的一组互补电接触。
10.如权利要求9所述的方法，其中所述电连接所述电接触组到所述互补电接触组的步骤通过倒装片管芯贴附工艺完成。
11.如权利要求9所述的方法，其中所述基板包括第二组电接触，以利于连接所述基板到主机装置的电路板。
12.一种相机模块，包括：
安装基板，限定穿通其的开口和围绕所述开口的凹陷；
集成电路图像捕捉装置，包括形成在所述图像捕捉装置的顶面中的传感器阵列，所述图像捕捉装置安装在所述安装基板的所述凹陷中；和
光学元件堆叠，固定到所述图像捕捉装置的所述顶面，并延伸通过所述安装基板中的所述开口。
13.如权利要求12所述的相机模块，其中：
所述安装基板包括形成在所述凹陷的表面上的一组电接触；
所述图像捕捉装置包括形成在所述图像捕捉装置的所述顶面上的一组互补电接触；以及
所述图像捕捉装置通过在所述电接触和所述互补电接触的相关对之间形成电连接而安装在所述安装基板的所述凹陷中。
14.如权利要求12所述的相机模块，其中：
所述安装基板还包括电连接所述安装基板到主机装置的电路板的第二组电接触；并且
所述第二组电接触电连接到所述电接触组，以连接所述图像捕捉装置的电路与所述主机装置的所述电路板的电路。
15.如权利要求12所述的相机模块，其中所述光学元件堆叠、所述图像捕捉装置和所述安装基板都可以承受回流焊接工艺。
16.如权利要求12所述的相机模块，其中所述相机模块没有任何聚焦机构。
17.如权利要求12所述的相机模块，其中：
所述光学元件堆叠包括腔体和底面，所述底面限定到所述腔体中的开口；
所述光学元件堆叠通过贴附所述光学元件堆叠的所述底面到所述图像捕捉装置的所述顶面而固定到所述图像捕捉装置的所述顶面；
到所述腔体中的所述开口围绕所述传感器阵列；并且
所述腔体在所述传感器阵列上方提供空气间隙。
18.如权利要求12所述的相机模块，其中所述光学元件堆叠包括彼此直接接合的多个单独的透镜元件。
19.如权利要求12所述的相机模块，其中所述凹陷的深度大于所述图像捕捉装置的厚度。
20.一种相机模块，包括：
集成电路图像捕捉装置，包括形成在所述图像捕捉装置的顶面中的传感器阵列；
光学元件堆叠，固定到所述图像捕捉装置的所述顶面；和
通过回流焊接工艺贴附所述集成图像捕捉装置到主机装置的电路板的装置。
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