CN101981913B - 晶片级光学元件的安装 - Google Patents

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Abstract

一种用于组装相机模块的技术，其包括将光学元件，例如光学层叠体，直接连接到图像传感器的顶部表面。可将壳体设置成部分地围绕光学层叠体。或者，可通过传递模塑工艺来设置壳体。此技术可应用于阵列处理场合，并且焊球可连接到图像传感器的底部，以提供高效率生产的、低成本的相机模块。

Description

晶片级光学元件的安装
相关申请的交叉引用
本申请依据美国法典第35篇119条(35U.S.C，119)要求2008年2月22日提交的标题为“Attachment of Wafer Level Optics”的美国临时专利申请No.61/030,937的优先权，其内容通过引用并入本文。
背景技术
在消费电子设备领域，例如无线电话，一直存在压力促使设备更小型化、更便宜、并且具有更多特征。相应地，这类设备的制造商也给予各部件供应商同样的压力。由于目前大部分无线电话是相机式电话(camera phone)，它们各自包括一个或多个相机模块作为电话的一个部件。该相机模块可包括PCB(印刷电路板)或柔性电路、图像传感器、壳体和透镜组件。
因此，人们期望相机模块小型化、便宜、并且具有增强的功能。这些功能可包括更高分辨率的图像传感器和更高质量的光学元件/透镜。人们还期望将相机模块制造中所用的部件和材料最少化，以减少制造这类模块的时间，减少在制造这类模块中涉及的人力，以及减少生成的不良模块的数量。
通常，相机模块的制造是通过将图像传感器连接到电路板，然后将包含透镜的壳体连接到同一电路板来进行。或者，其它制造技术包括以盖玻璃遮盖图像传感器，然后将透镜或者透镜壳体连接到盖玻璃。在一些情况中，透镜容纳在以螺纹方式接收到壳体中的透镜组件中，并且透镜组件被旋转直到为图像传感器提供适当聚焦的图像。这时，可将透镜组件固定到壳体。
上述现有技术及其相关局限性的例子旨在给出示例，并不是惟一的。通过阅读说明书和研究附图，现有技术的其它局限性对本领域技术人员将是显而易见的。
发明内容
结合其它系统、工具和方法来说明和示意以下实施例及其各方面，这些系统、工具和方法只起示例和示意作用，并不限制范围。在各实施例中，减少或消除了一个或多个上述问题，同时其它实施例涉及其它改进。
提供了一种相机模块组件，其包括基板、结合到基板的图像传感器和直接连接到图像传感器的光学层叠体(optics stack)。相机模块组件的变型也可包括结合到基板和光学层叠体的壳体。粘胶、环氧树脂、粘接剂、胶带或者任何其它适当的连接机构都可用来将壳体结合到基板和光学层叠体，和/或将光学层叠体结合到图像传感器。
还提供了另一种相机模块组件，其包括图像传感器和直接连接到图像传感器的顶部表面的光学层叠体。
这种相机模块组件的变型可包括将光学层叠体部分地封装在模塑材料中，其中模塑材料包括开口以容许光穿过模塑材料到达光学层叠体。此外，基板可直接连接到图像传感器的底部表面。基板可包括通孔，通孔从基板的外部表面延伸穿过基板，到达位于图像传感器底部表面上的接合垫。通孔可填充有导电材料，并且焊球可在基板的外部表面连接到通孔。
此外，提供了一种用于制造相机模块的方法，其包括：(1)提供包括多个图像传感器的晶片；(2)将光学层叠体直接结合到各图像传感器；(3)通过传递模塑体(transfer molding)部分地封装光学层叠体，留出穿过传递模塑体的开口，以容许光穿过而到达光学层叠体；(4)将组件分割为独立的相机模块。
用于制造相机模块的方法的变型可包括：使各光学层叠体具有位于离图像传感器指定距离的一个或多个透镜元件。该指定距离可具有5微米或更小的公差。
还提供了另一种用于制造相机模块的方法，其包括：(1)提供具有图像传感器的基板；以及(2)将光学层叠体直接结合到图像传感器。
用于制造相机模块的上述方法的变型可包括：将壳体直接结合到基板，以使壳体设置成围绕图像传感器和光学层叠体。此外，壳体可包括上部端口，以容许光穿过壳体到达光学层叠体。
除了上述示例的方面和实施例外，另外的方面和实施例通过参考附图和研究以下说明将变得显而易见。
附图说明
图1是通过本文所述技术生成的相机模块的截面图。
图2是图1的相机模块的分解视图，显示已安装在电路板上的图像传感器、以及光学层叠体和壳体。
图3与图2的分解视图相似，显示粘胶已施加在图像传感器的周边区域。
图4与图3的分解视图相似，显示光学层叠体已连接到图像传感器。
图5与图4的分解视图相似，显示粘胶已施加在电路板的周边区域和光学层叠体的顶部的周边区域。
图6与图5的分解视图相似，显示壳体已连接到相机模块的具有暴露粘胶的各部分。
图7示出了用于制造多个相机模块的阵列处理技术中的各个阶段。
具体实施方式
现在将参考附图，其有助于示意本发明的各种相关特征。虽然现在将主要结合相机模块对本发明进行说明，但是应当清楚地理解，本发明也可应用于期望将光学元件连接到电子电路的其它应用中。鉴于此，以下给出将晶片级光学元件安装到相机模块中的图像传感器的说明，用于图示和示意。此外，以下说明并不意图将本发明限制为本文所公开的形式。因此，与后述教导、相关领域的技术和知识相称的变型和修改都在本发明的范围内。另外，在此说明的实施例旨在解释实施本发明的已知模式，并使本领域的其他技术人员在这类或者其它实施例中，通过本发明的一种或多种特定应用或用途所需的各种修改，来运用本发明。
图1显示组装的相机模块10。相机模块10包括通过板上贴芯片(chip-on-board，COB)技术安装有图像传感器14的印刷电路板(PCB)12。图像传感器14包括位于其顶部表面(top surface)18的中心区域内的有效区域16。光学层叠体20连接到图像传感器14的顶部表面18，以围绕有效区域16。光学层叠体20包括一个或多个透镜元件。在此示例中，光学层叠体20包括三个透镜元件：第一透镜元件22、第二透镜元件24和第三透镜元件26。这三个透镜元件22、24和26分别通过第一分隔件28、第二分隔件30和第三分隔件32而相互分隔开并且与图像传感器14分隔开。光学层叠体的其它示例可包括一个、两个、四个或者四个以上的透镜元件。
光学层叠体可通过本领域已知的复制(replication)技术(使用模具)进行制造。光学层叠体可在一个或多个透镜元件的两侧(either side)包括非球面透镜表面。各分隔件28、30和32是中空的，在中心区域具有空腔，从而在光穿过相机模块10射向图像传感器14的有效区域16时，容许光穿过各后续透镜元件。分隔件可由任何适当的材料构成，例如玻璃或者聚合物材料。拥有复制技术的公司有例如Anteryon公司、Tessera/Digital Optics公司和Heptagon公司。
壳体34(其可由低粘环状聚酯(CBT)、液晶聚合物(LCP)、玻璃或者其它适当的材料构成)连接到PCB 12和光学层叠体20的顶部，以使入射到图像传感器14的有效区域16的杂光的量最小化，并且增加相机模块10的机械强度。壳体34包括容纳光学层叠体20和图像传感器14的内部空腔36。壳体34还包括上部端口38，光能够通过上部端口38进入相机模块10、穿过光学层叠体20然后入射到图像传感器14的有效区域16。上部端口38可为任何适当的形状。在此示例中，上部端口是矩形开口，但在其它示例中可采用其它形状。例如，可采用较小的圆形开口。
用于组装图1的相机模块10的过程在图2-6中示出。图2显示已连接到PCB 12的图像传感器14(在图像传感器14的顶部表面18上有有效区域16)。这一过程的起始部分可在具有特定的真空特性的洁净室中进行。光学层叠体20(包括透镜元件22、24和26以及分隔件28、30和32)显示为与图像传感器14和PCB 12的组合体相分开。进而，壳体34显示为与光学层叠体20相分开。虽然壳体34、光学层叠体20以及图像传感器14和PCB 12在图2中显示为分开关系，但这仅为易于理解和图示。事实上，当执行由图2和3之间的差异所示意的步骤时，壳体34和光学层叠体20当然可以位于不同的位置或者位于完全不同的位置。
如图3中可见，四条粘胶50已施加在图像传感器14的顶部表面18的周边区域。分配模式(dispense pattern)可为施加在图像传感器的周边区域的断线形粘胶(如所示)，或者可为施加在传感器的周边区域的连续线形粘胶或者多点形粘胶。可使用任何适当的粘胶、环氧树脂或者其它类型的粘接剂，并且可采用精确的或者半自动的分配方法。一种适当的粘胶的示例为Abielux A4502。粘胶线被小心准确地布置为距离图像传感器14的有效区域16适当距离。例如，各粘胶线可与有效区域16分开300微米或者更大的距离，而各粘胶线的宽度可在例如300至350微米范围内。由于粘胶线的厚度有助于确定透镜光学层叠体20中的透镜元件离图像传感器14的有效区域16的间距，因此期望将粘胶线的厚度保持在合理的尺度水平(例如～12-15um)。此外，期望控制粘胶的黏度(viscosity)(例如～20000cps)和触变指数(thixotropic index)(例如～3-5)。应当领会，除了在图像传感器14的顶部表面18上的粘胶线50外，粘胶线还可施加在光学层叠体20的底部表面，尤其是在第三分隔件32的底部表面。或者，粘胶可只施加在光学层叠体20，而不施加在图像传感器14。又或者，可使用双面胶带或者B阶环氧树脂(B-stage epoxy)将光学层叠体20连接到图像传感器14。
然后，通过精确的或者半自动的组装设备拾取光学层叠体20并且连接到图像传感器14。一旦光学层叠体20连接到图像传感器14后，就不再需要在洁净室中进行后续的组装过程。这是因为图像传感器14的敏感的有效区域16已被遮盖，从而减小了玷污(contamination)的可能。图4显示部分组装的相机模块，其中光学层叠体20已连接到图像传感器14。此时，部分组装的相机模块通过紫外(UV)光来硬化粘胶。或者，可使用热定型的(thermal-setting)(或者其它类型的)粘胶，并且可使用适当的方法来硬化这种粘接剂。
然后，在将壳体34连接到相机模块10的剩余部分来完成组装的一种可选方案中，沿第一透镜元件22的上表面的周边、以及沿PCB 12的顶部表面的外周边设置粘胶，如图5所示。此外，粘胶可施加在壳体34的适当的配合表面。或者，粘胶可不施加在光学层叠体20和PCB 12，而可以只施加在壳体34的配合部分(mating portion)。又或者，可使用双面胶带将壳体34连接到相机模块10的剩余部分。
有许多适当的粘胶模式可以采用。作为图3所示的粘胶线50的替代，在此示例中，虚线形粘胶线52施加在PCB 12上，并且一连串的粘胶点54施加在光学层叠体20的第一透镜元件22的周边。当然，这些类型的粘胶模式50、52和54中的任何一种，以及任何其它适当的模式，都可用于图3和5所示的这三个位置中的任何一个位置。
壳体34从而以手动使用夹具(jigs)和固定装置(fixtures)或者通过自动化的壳体连接系统进行连接。相机模块然后置于烘箱(oven)中使环氧树脂硬化(在此示例中，使用热定型的粘胶连接壳体34)。这样，就完成了相机模块10的组装，如图6所示。
虽然上述说明描述了用于组装单个相机模块10的技术，但是希望通过阵列处理来生产多个相机模块。这种技术显示在图7的各个绘图中。在此示例中，采用硅晶片70，其上包括有多个未分割的图像传感器72。晶片可为任何适当大小的晶片。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，采用了贯穿硅通孔(through silicon via，TSV)晶片。TSV技术在本领域是已知的，这类技术的示例从Micron和STMicroelectronics可得到。众所周知，TSV晶片已从晶片的底部表面向图像传感器72的底部的接合垫(bond pad)构建了通孔。接合垫接头通过再分布技术(redistributiontechnology，RDL)穿过硅中的这些通孔被引导至底侧，并且遍布整个底侧。这些TSV通孔填充有导电和介电材料，并且终止于底侧，在后一阶段焊球将连接在该底侧。
以类似于图3和4所示及随同说明所描述的方式，光学层叠体74连接到晶片70上的各图像传感器72。连接有多个光学层叠体74的晶片70显示为76。连接到晶片70上的一个图像传感器72的一个光学层叠体74的放大视图，显示为78。
接着，通过称为传递模塑(transfer molding)的常规模塑工艺，将晶片上的光学层叠体74以模塑材料80进行封装，在模塑材料中限定出开口82，以使光能够进入光学层叠体74中，以到达图像传感器72。以模塑材料80封装光学层叠体74的晶片70，显示为84。
然后，TSV晶片70中的填充有导电材料并终止于底侧的通孔(未示出)，经过焊球连接处理，以便后续的与电子电路(未显示)的连接。焊球连接处理可以是回流处理(reflow process)。连接有焊球86的晶片70显示为88。连接有焊球86的晶片70的一个图像传感器72的放大视图显示为90。
接下来，晶片70通过常规方式被锯(saw)分割，模塑材料80也通过常规方式被锯分割。例如，对晶片70和模塑材料80的切割可从组件的相反侧进行。或者，可在单步骤中使用锯从组件的同一侧分割模塑材料中的晶片70。或者，组件可通过任何常规方式分割成单独的相机模块。组件分割完成后，就生成了多个组装的相机模块92。这种多个相机模块92的示例显示为94。其中一个相机模块92的放大视图显示为96。
应当领会，本文所公开的技术提供了一些胜于现有技术的优点。可相信，在此说明的技术是首次在相机模块组装中将光学层叠体或者任何类型的透镜直接连接到图像传感器的硅。可相信，在其它组装方法中，光学元件要么是连接到与图像传感器的硅相连接的盖玻璃，要么是连接到连接有图像传感器的PCB，要么是连接到与PCB相连接的透镜壳体。
通过将光学层叠体直接连接到图像传感器，透镜元件离图像传感器的距离的总体公差等级被大大地减小。例如，在使用盖玻璃并且将光学元件连接到盖玻璃的技术中，盖玻璃可通常具有300至500微米的厚度和10至100微米范围内的公差。通过本文教导的技术，已发现，透镜元件离图像传感器的距离的总体公差能够减小到小于5微米的等级。除了显著地减小公差外，本文教导的技术消除了将盖玻璃连接到传感器的材料成本和制造时间。
此外，可相信，相机模块组装的现有技术并没有使用传递模塑来封装光学层叠体，以形成相机模块的壳体。此外，可相信，传递模塑未曾被用于封装各自连接有光学层叠体的图像传感器的整个晶片。
此外，可相信，组装相机模块的现有技术未曾在晶片底侧的相反侧连接有光学元件时，将焊球连接到终止于整个晶片的底侧的TSV通孔。类似地，当传递模塑体已设置在其相反面时，上述情况先前也未做过。
此外，可相信，组装相机模块的现有技术未曾教导，在已连接光学元件和传递模塑体时，对整个晶片进行分割。
如前所述，许多其他类型的相机模块包括壳体和以螺纹方式容纳在壳体中的透镜组件。在这类布置中，透镜组件被旋转直到在图像传感器处的图像被正确地聚焦。这时，透镜组件将相对于壳体被固定。可看出，本文教导的技术因为没有运动部件，所以优于这类可调节聚焦技术。此外，因为没有运动部件，所以不会有由于部件的相对运动而产生的颗粒，这些颗粒可能引起图像传感器的有效区域的玷污。由于透镜元件相对于图像传感器的准确位置和小公差，所以生成聚焦良好的图像。
此外，通过使用TSV晶片，消除了一些部件，例如基板、壳体和用于引线接合(wire bonding)的金线(gold wire)。这有助于改进和降低制造这类相机模块的成本。
上述对本发明的说明是用于图示和说明。并且，上述说明并不意图将本发明限制为本文所公开的形式。虽然已就多个示例性方面和实施例进行上述说明，但是本领域技术人员将能识别一些变型、修改、变换、增加和其子组合。相应地，应当理解，本文说明的电路部件的特定值可以改变并且可实现同样的目标。本文所给出的值仅为示例性的。因此，本文的意图是，所附权利要求和此后引入的权利要求应解释为在它们的真实精神和范围之内包括所有这些变型、修改、变换、增加和子组合。

Claims (10)

1.一种相机模块组件，包括：
基板；
结合到基板的顶部表面的图像传感器；
直接粘结到图像传感器的顶部表面的光学层叠体；和
直接粘结到基板的顶部表面以及光学层叠体的顶部表面的预制整体壳体，所述预制整体壳体限定设置在所述光学层叠体的最上面表面之上的孔。
2.根据权利要求1的相机模块组件，其中，光学层叠体经由粘胶、环氧树脂、粘接剂或者胶带中的至少一种粘结到图像传感器。
3.根据权利要求1的相机模块组件，其中，壳体经由粘胶、环氧树脂、粘接剂或者胶带中的至少一种粘结到基板和光学层叠体。
4.一种相机模块组件，包括：
图像传感器，其具有顶部表面和底部表面，所述顶部表面具有有效传感器区域，所述底部表面具有形成在底部表面上的接合垫；和
下端专有地且直接地连接到图像传感器的所述顶部表面的光学层叠体；以及
模制在所述图像传感器的顶部表面上的且模制在光学层叠体的顶部表面上的壳体，所述壳体限定在光学层叠体之上的孔，所述孔允许光线通过以到达所述光学层叠体。
5.一种用于生产相机模块的方法，包括：
提供包括多个形成在其上的图像传感器的晶片，每个图像传感器具有顶部表面和底部表面，所述顶部表面包括有效传感器区域，所述底部表面具有形成在其上的接合垫；
提供多个光学层叠体；
将所述多个光学层叠体连接到所述多个图像传感器，所述多个光学层叠体的每一个具有直接连接到所述多个图像传感器的其中一个相关联的图像传感器的所述顶部表面的下端；
通过传递模塑材料在所述多个光学层叠体和所述晶片上形成组件，从而穿过传递模塑的开口被限定在所述多个光学层叠体的每一个之上，从而容许光通过；以及
将组件分割为独立的相机模块。
6.根据权利要求5的方法，其中，晶片包括穿过晶片的导电通孔，并且在晶片的外部表面将焊球连接到通孔。
7.根据权利要求6的方法，其中，通孔从晶片的外部表面延伸到图像传感器的电路。
8.根据权利要求5的方法，其中，每个光学层叠体包括一个或多个透镜元件，各透镜元件距其中一个相关联的图像传感器为指定距离，并且各指定距离的公差不大于5微米。
9.一种用于生产相机模块的方法，包括：
首先提供具有图像传感器的基板，所述图像传感器在所述基板的顶部表面上；
其次将光学层叠体的下端专有地粘结到所述图像传感器的顶部表面；和
然后，将预制整体壳体直接粘结到所述基板的顶部表面和所述光学层叠体的顶部表面，使得所述壳体设置成围绕所述图像传感器和所述光学层叠体；并且其中
壳体限定设置在所述光学层叠体的最上面表面之上的上部端口，以容许光穿过其中。
10.根据权利要求9的方法，其中，粘结光学层叠体和粘结壳体的步骤包括使用粘胶、环氧树脂、粘接剂或者胶带中的至少一种。
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