CN103081105A - 图像拾取装置、图像拾取模块和照相机 - Google Patents

图像拾取装置、图像拾取模块和照相机 Download PDF

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Abstract

一种图像拾取装置包括：透明部件；包含光电二极管的图像拾取元件芯片；和布置于图像拾取元件芯片周围的固定部件，空间被透明部件、图像拾取元件芯片和固定部件包围。图像拾取元件芯片包含半导体基板，该半导体基板包含贯通半导体基板的透明部件侧的第一主面和该半导体基板的与第一主面相反的第二主面的贯通电极。在相对于透明部件的正交投影中，贯通电极被布置于与固定部件对应的固定区域中，并且，与如下这样的区域的边界被布置于该固定区域中，在该区域中半导体基板的厚度比与空间对应的第一区域中的半导体基板的厚度小。

Description

图像拾取装置、图像拾取模块和照相机
技术领域
本发明涉及图像拾取装置、图像拾取模块和照相机。
背景技术
作为用于图像拾取装置的技术，晶片级芯片尺寸封装（WL-CSP）技术是已知的（参见PTL1和PTL2），在该技术中，通过使用粘接剂将包含图像拾取元件和贯通电极的半导体基板与透光支撑基板固定在一起以在图像拾取元件之上形成空间。在现有的情况下，仅有将用于蜂窝电话等的采用WL-CSP的相对小尺寸的图像拾取装置（即，图像传感器）是可用的。在PTL1和PTL2中公开的图像拾取装置具有如下这样的配置，在该配置中，从透光支撑基板观看时的空间下面的半导体基板的厚度比粘接剂下面的半导体基板的厚度大。
[引文列表]
[专利文献]
[PTL1]日本专利公开No.2009-158863
[PTL2]日本专利公开No.2010-050260
小尺寸的图像拾取装置被用于蜂窝电话。诸如单镜头反射式照相机的较大尺寸的图像拾取装置也需要减小尺寸和厚度。
为了作为一种减小图像拾取装置的尺寸的方式形成贯通电极，必须减小硅基板的厚度。但是，当图像拾取装置的尺寸增加时，强度由于硅基板的尺寸的减小而降低。因此，存在这样一种折衷关系，即，由于在包含诸如回流的热处理的制造过程中导致的空间部分的膨胀，因此，减小硅基板的厚度导致图像拾取元件芯片的诸如翘曲的变形和破裂（crack）以及完成的芯片的强度不足。
在PTL1和PTL2中描述的采用WL-CSP的图像拾取装置中，由于从透光支撑基板观看时的半导体基板的厚度小的部分位于空间下面，因此，由半导体基板的变形导致的应力集中于半导体基板的厚度小的部分处。因此，半导体基板可能变形或者破裂。因此，存在图像拾取装置的可靠性降低的可能性。
发明内容
[技术问题]
本发明提供了一种表现出高的可靠性并且对于其存在降低的半导体基板变形和破裂的可能性的图像拾取装置和图像拾取系统。
[问题的解决方案]
根据本发明的一方面的图像拾取装置包括：透明部件；包含光电二极管的图像拾取元件芯片；和布置于图像拾取元件芯片周围的固定部件，空间被透明部件、图像拾取元件芯片和固定部件包围。图像拾取元件芯片包含半导体基板，并且，半导体基板包含贯通半导体基板的透明部件侧的第一主面和半导体基板的与第一主面相反的第二主面的贯通电极。在与透明部件正交的正交投影中，贯通电极被布置于与固定部件对应的固定区域中，并且，与在其中半导体基板的厚度比与所述空间对应的第一区域中的半导体基板的厚度小的区域的边界被布置于所述固定区域内。
[本发明有利效果]
根据本发明，可以提供表现出高的可靠性并且对于其存在降低的半导体基板变形和破裂的可能性的图像拾取装置和图像拾取系统。
附图说明
图1是根据第一实施例的图像拾取装置的分解透视图。
图2A是根据第一实施例的图像拾取装置的平面图。
图2B是根据第一实施例的图像拾取装置的前视图。
图3包括根据第一实施例的图像拾取装置的一部分的平面图和截面图。
图4是示出当改变根据第一实施例的图像拾取装置的空间部分中的半导体基板的纵向宽度W1时所需要的半导体基板的厚度的曲线图。
图5是示出当改变根据第一实施例的图像拾取装置的第二区域中的半导体基板的厚度T2时所需要的半导体基板的厚度的曲线图。
图6包括根据第二实施例的图像拾取装置的一部分的平面图和截面图。
图7包括根据第三实施例的图像拾取装置的一部分的平面图和截面图。
图8示出图像拾取装置被应用于将在便携式设备中使用的图像拾取模块的情况的例子。
图9是示出图像拾取装置被应用于作为图像拾取系统的例子的数字照相机的情况的框图。
具体实施方式
以下将参照图1～9描述本发明的实施例。
[第一实施例]
图1是根据第一实施例的图像拾取装置的分解透视图。图像拾取装置包括透明部件1、图像拾取元件芯片2和布置于透明部件1与图像拾取元件芯片2之间的固定部件3。
透明部件1是光学透明的，并且由玻璃或树脂等制成。在用于图像拾取元件芯片2的半导体基板由硅制成的情况下，希望用于透明部件1的玻璃是由SCHOTT AG制造的BOROFLOAT（注册商标）、由Corning Incorporated制造的PYREX（注册商标）或由ASAHIGLASS CO.,LTD制造的SW玻璃基板等。另外，用于透明部件1的树脂可由聚碳酸酯树脂等形成的光学塑料制成。由于玻璃和树脂分别具有接近硅的线性膨胀系数，因此，这种由玻璃或树脂制成的透明部件是希望的材料。在许多情况下，对于图像拾取元件芯片2使用硅基板。另外，希望微透镜被布置于图像拾取元件芯片2的光入射侧。为了将透明部件1和图像拾取元件芯片2相互固定，对于固定部件3使用粘接剂。固定部件3可由有机树脂等制成。粘接剂例如通过在透明部件1的表面和图像拾取元件芯片2的表面中的至少一个上构图而形成。
图2A是根据第一实施例的图像拾取装置的平面图。图2B是根据第一实施例的图像拾取装置的前视图。透明部件1和图像拾取元件芯片2通过固定部件3被相互固定。空间4通过被透明部件1、图像拾取元件芯片2和固定部件3包围而形成。图像拾取元件芯片2包含半导体基板11、在半导体基板11上形成的布线结构12和微透镜13。例如，半导体基板11由硅基板制成。图像拾取元件芯片2还在半导体基板11下面（半导体基板11的光入射侧的相反侧）包含绝缘部件14和焊接球15。图像拾取元件芯片2还包含贯通电极16，该贯通电极16贯通作为半导体基板11的光入射侧的透明部件1侧的第一主面和与第一主面相反的第二主面。贯通电极16与布置于布线结构12内的内部电极17电连接。贯通电极16包含导电膜18，并由此与焊接球15电连接。未示出的平坦化膜和滤色器被布置于布线结构12与微透镜13之间。在从光入射侧观看图像拾取装置的情况下，即，在如图2B所示从前侧观看图像拾取装置的情况下，在其中布置固定部件3的区域被定义为固定区域，该固定区域与比固定部件3的内周19更向外的区域对应。比内周19更向内的区域被定义为捕获区域。捕获区域包含在其中布置图像拾取元件芯片2的微透镜13的区域（即，在其中布置用于将入射光转换成电荷的光电二极管的像素区域）。图像拾取元件芯片2的包含内部电极17和贯通电极16等的电极部分被布置于该固定区域中。图2B还用作与透明部件1的一部分的配置正交的正交投影。
半导体基板11的区域具有不同的厚度。半导体基板11的厚度改变的边界20位于固定部件3下面，即，位于从光入射侧观看时的固定区域的区域内。通过该配置，与包括在其中半导体基板的厚度改变的边界20位于比固定区域更向内的区域中的半导体基板的已知图像拾取装置相比，可以减少半导体基板11变形和破裂的可能性。虽然半导体基板11的厚度改变的边界可在与透明部件1正交的正交投影中与该固定区域的边界对应，但是，希望半导体基板11的厚度改变的边界20位于固定区域的区域内。
将参照图3解释用作半导体基板11的硅基板的需要的厚度。
图3的部分A和部分B是沿图2A的线IIIB-IIIB切取的图像拾取装置的部分平面图和部分截面图。
通过布置于透明部件1与图像拾取元件芯片2之间的固定部件3，透明部件1和图像拾取元件芯片2被相互固定。空间4通过被图像拾取元件芯片2的表面、透明部件1和固定部件3包围而形成。从光入射侧观看时的图像拾取装置被分成作为捕获区域的第一区域A1、作为第一区域A1外面的固定区域的一部分的第二区域A2、以及第三区域A3，该第三区域A3作为该固定区域的一部分、位于第二区域A2外面并且是在其中布置贯通电极的电极区域。第一、第二和第三区域A1、A2和A3分别具有纵向宽度W1、W2和W3。在图像拾取元件芯片2中，第一区域A1包括像素区域21，该像素区域21包含未示出的光电二极管和用于传送与通过光电二极管由光电转换获得的电荷对应的信号的晶体管。包含未示出的布线和层间绝缘膜的布线结构12被布置于在半导体基板11的光入射侧的第一主面上。第一平坦化膜22被布置于布线结构12上。滤色器23被布置于第一平坦化膜22上。第二平坦化膜24被布置于滤色器23上。微透镜13被布置于第二平坦化膜24上。通孔通过半导体基板11形成以从半导体基板11的第一主面延伸到第二主面，使得布置贯通电极16。绝缘膜25被布置于半导体基板11的在其中布置有通孔的第二主面上。在绝缘膜25上形成导电膜18。用作保护膜的阻焊剂26被布置于导电膜18上。在导电膜18上的阻焊剂26的一部分中形成开口。焊接球15被布置于导电膜18上的阻焊剂26的开口部分中。第一区域A1中的晶体管和未示出的周边电路等与导电膜18电连接，且布置于布线结构12中的内部电极17处于它们之间。贯通电极16包含导电膜18。导电膜18可延伸以到达焊接球15的下部。
元件面电极27被布置于内部电极17上，且层间绝缘膜处于它们之间。用于电连接内部电极17与元件面电极27的未示出的接触插头被布置于内部电极17与元件面电极27之间的层间绝缘膜中。元件面电极27用于通过接触插头和内部电极17施加电压和读取信号等。特别地，当执行芯片分选（die sort）测试时，向元件面电极27施加探针。并且，与在其中半导体基板的厚度比第一区域A1中的半导体基板的厚度小的第三区域A3的边界20被布置于该固定区域内。
在具有上述配置的图像拾取装置中，获得第一区域A1和第二区域A2中的半导体基板11的厚度T1和T2的最小值。假定采用WL-CSP的已知的图像拾取装置的翘曲量减小为等于具有1/2.5英寸芯片的尺寸和0.1mm的厚度的小尺寸图像拾取元件芯片的翘曲量，讨论半导体基板11的厚度。图4是示出改变空间4的纵向宽度W1时需要的半导体基板11的厚度的曲线图。可通过使用式（1）获得需要的第一区域A1和第二区域A2中的半导体基板11的厚度T1和T2：
[数学式1]
T1，T2≥0.009W11.33   （1）
因此，需要的第一区域A1和第二区域A2中的半导体基板11的厚度T1和T2被概括如下。对于图像拾取元件芯片2的尺寸与1/2.5英寸芯片的尺寸对应的情况，需要0.1mm或更大。对于图像拾取元件芯片2的尺寸与4/3（Four Thirds）芯片的尺寸对应的情况，需要0.4mm或更大。对于图像拾取元件芯片2的尺寸与APS-C芯片的尺寸对应的情况，需要0.6mm或更大。具有与4/3芯片的尺寸对应的尺寸的图像拾取元件芯片包含约17.3×13mm的像素区域。具有与APS-C芯片的尺寸对应的尺寸的图像拾取元件芯片包含约24.0×16mm的场角。
为了抑制图像拾取装置的制造过程中的产量的降低并减少变形对图像的影响，讨论使得当半导体基板破裂时产生的应力减小到1/10所需要的第二区域A2中的半导体基板11的厚度T2和宽度W2。图5是示出改变第二区域A2中的半导体基板11的厚度T2时需要的宽度W2的曲线图。当式（2）和（3）相互一致时，可以获得当改变第二区域A2中的半导体基板11的厚度T2时需要的宽度W2。
[数学式2]
W2≥0.3mm   （2）
[数学式3]
W2≥2T2+0.2mm   （3）
希望第三区域A3中的半导体基板11的厚度T3满足式（4）：
[数学式4]
T3≤T2   （4）
为了提高形成贯通电极的步骤中的生产量（throughput）并使在通孔中形成的绝缘膜和导电膜具有优异的质量，希望第三区域A3中的半导体基板11的厚度T3为0.2mm或更小。
因此，概括需要的第二区域A2中的半导体基板11的厚度T2和宽度W2如下。对于图像拾取元件芯片2的尺寸与1/2.5英寸芯片的尺寸对应的情况，厚度T2需要为0.1mm或更大，且宽度W2需要为0.4mm或更大。对于图像拾取元件芯片2的尺寸与4/3英寸芯片的尺寸对应的情况，厚度T2需要为0.4mm或更大，且宽度W2需要为1.0mm或更大。对于图像拾取元件芯片2的尺寸与APS-C芯片的尺寸对应的情况，厚度T2需要为0.6mm或更大，且宽度W2需要为1.4mm或更大。
当第二主面被研磨或蚀刻时，通过消除硅来改变半导体基板11的厚度。因此，厚度T1、T2和T3中的每一个与半导体基板11的第二主面与平坦的第一主面或者透明部件1的半导体基板11侧的表面之间的距离对应。与半导体基板11的平坦的第一主面或者透明部件1的半导体基板11侧的表面不同，半导体基板11的第二主面包含在该固定区域内的凹陷部分（即薄的部分）。
如上所述，通过将半导体基板11的厚度改变的边界布置在固定区域内，可以实现表现出高的可靠性的图像拾取装置。此外，当第二区域A2的厚度T2和宽度W2和第三区域A3的厚度T3满足上述的关系时，可以降低半导体基板11破裂和变形的可能性，并由此实现表现出高的可靠性的图像拾取装置。
与焊接球15等连接的部分可在与透明部件1正交的正交投影中与固定区域的边界对应或者被布置于固定区域内。因此，可以减少半导体基板11变形和破裂的可能性，并由此实现表现出高的可靠性的图像拾取装置。
[第二实施例]
图6示出根据第一实施例的图像拾取装置的变型例。图6的部分A和部分B是与图3的部分A和部分B类似的部分平面图和部分截面图。与图3相同的部件被使用相同的附图标记和符号，并且，将省略这些相同的部件的解释。
根据本实施例的图像拾取装置的特征在于第一区域A1中的半导体基板11的厚度T1、第二区域A2中的半导体基板11的厚度T2和第三区域A3中的半导体基板11的厚度T3具有T1>T2>T3的关系。即，在其中形成贯通电极16的第三区域A3中的半导体基板11的厚度T3比作为捕获区域的第一区域A1中的半导体基板11的厚度T1小，并且，处于第一区域A1与第三区域A3之间的第二区域A2中的半导体基板11的厚度T2与厚度T1与厚度T3之间的厚度对应。即，半导体基板11具有包含三个厚度的配置。当从光入射侧观看图像拾取装置时半导体基板11的厚度改变的边界被布置于在其中布置固定部件3的固定区域内这一点与根据第一实施例的图像拾取装置中相同。即，与在其中半导体基板的厚度比第一区域A1中的半导体基板的厚度小的第二区域A2的边界20被布置于该固定区域内。当第二区域A2中的半导体基板11的厚度T2和宽度W2和第三区域A3中的半导体基板11的厚度T3满足在第一实施例中描述的关系时，可以进一步降低半导体基板11变形和破裂的可能性，并由此实现表现出高的可靠性的图像拾取装置。希望半导体基板11的最大厚度T1开始减小处的边界被布置于该固定区域内。
[第三实施例]
图7示出根据第一实施例的图像拾取装置的变型例。图7的部分A和部分B是与图3的部分A和部分B类似的部分平面图和部分截面图。与图3相同的部件被使用相同的附图标记和符号，并且，将省略这些相同的部件的解释。
根据本实施例的图像拾取装置的特征在于第二区域A2中的半导体基板11的截面具有锥形形状。即，根据本实施例的图像拾取装置具有如下这样的配置，在该配置中，形成有贯通电极16的第三区域A3中的半导体基板11的厚度T3比作为捕获区域的第一区域中的半导体基板11的厚度T1小，并且处于第一区域A1与第三区域A3之间的第二区域A2中的半导体基板11的厚度T2改变以具有锥形形状。当从光入射侧观看图像拾取装置时半导体基板11的厚度改变的边界20被布置于在其中布置有固定部件3的固定区域内这一点与第一和第二实施例中相同。即，与在其中半导体基板的厚度比第一区域A1中的半导体基板的厚度小的第二区域A2的边界20被布置于固定区域内。当第二区域A2中的半导体基板11的厚度T2和宽度W2和第三区域A3中的半导体基板11的厚度T3满足在第一实施例中描述的关系时，可以进一步降低半导体基板11变形和破裂的可能性，并由此实现表现出高的可靠性的图像拾取装置。
[第四实施例]
[对于图像拾取模块的应用]
图8示出根据本发明的第一、第二或第三实施例的图像拾取装置被应用于将用于照相机的图像拾取模块的情况的例子。
图像拾取装置800被安装于由陶瓷或硅等制成的电路板807上，并且，图像拾取装置800被密封于封盖部件804内。电路板807与图像拾取装置800电连接。捕获光的光学部分805和光学低通滤波器806被布置于图像拾取装置800之上。并且，封盖部件804被图像拾取透镜802和固定图像拾取透镜802的透镜筒部件801覆盖，并且，通过透镜筒部件801、图像拾取透镜802和电路板807很好地密封封盖部件804。
在本申请中，在电路板807上不仅可安装根据本发明的实施例的图像拾取装置，并且还可安装图像拾取信号处理电路、模数（A/D）转换器和模块控制器。可以在与图像拾取装置中的步骤相同的处理步骤中在与图像拾取装置的半导体基板相同的半导体基板上形成这些单元。光学低通滤波器可包含于图像拾取装置中并被布置于透明部件与图像拾取元件芯片之间。
[对于数字照相机的应用]
图9是示出根据本发明的第一、第二或第三实施例的图像拾取装置被应用于作为图像拾取系统的例子的数字照相机的情况的框图。
用于导致作为图像拾取装置的固态图像拾取元件904捕获光的配置包括快门901、图像拾取透镜902和光阑903。快门901控制对于固态图像拾取元件904的曝光。入射光穿过图像拾取透镜902，并且，在固态图像拾取元件904上形成图像。此时，通过光阑903控制光量。
根据捕获的光从固态图像拾取元件904输出的信号在图像拾取信号处理电路905中被处理，并且，A/D转换器906将模拟信号转换成数字信号。输出的数字信号在信号处理器907中经受运算处理，并且，产生捕获的图像数据。根据由用户设定的操作模式，捕获的图像数据可被存储于布置于数字照相机中的存储单元910中，并且可通过外部I/F单元913被传送到诸如计算机或打印机的外部装置。另外，捕获的图像数据可通过记录介质控制I/F单元911被记录于可从数字照相机移除的记录介质912上。
通过定时产生器908控制固态图像拾取元件904、图像拾取信号处理电路905、A/D转换器906和信号处理器907。通过总体控制/运算单元909控制总体系统。可在与固态图像拾取元件904中的步骤相同的处理步骤中在与固态图像拾取元件904的半导体基板相同的半导体基板上形成这种系统。
如上所述，通过本发明的各实施例的配置，可以降低半导体基板变形和破裂的可能性，并且可提供表现出高的可靠性的图像拾取装置和图像拾取系统。
另外，上述的实施例可被以适当的方式组合，并且，这些实施例可进行修改。
虽然已参照示例性实施例描述了本发明，但应理解，本发明不限于公开的示例性实施例。以下的权利要求的范围应被赋予最宽的解释以包含所有这样的变型以及等同的结构和功能。
本申请要求在2010年8月23日提交的日本专利申请No.2010-186070的权益，该申请通过引用被全文并入此。
[附图标记列表]
1透明部件
2图像拾取元件芯片
3固定部件
4空间
11半导体基板
12布线结构
13微透镜
14绝缘部件
15焊接球
16贯通电极
17内部电极
18导电膜
19内周
20边界

Claims (13)

1.一种图像拾取装置，包括：
透明部件；
图像拾取元件芯片,包含光电二极管；以及
固定部件，被布置于图像拾取元件芯片周围，空间被透明部件、图像拾取元件芯片和固定部件包围，
其中，图像拾取元件芯片包含半导体基板，并且，半导体基板包含贯通半导体基板的透明部件侧的第一主面和半导体基板的与第一主面相反的第二主面的贯通电极，并且，
在与透明部件正交的正交投影中，贯通电极被布置于与固定部件对应的固定区域中，并且，与在其中半导体基板的厚度比与所述空间对应的第一区域中的半导体基板的厚度小的区域的边界被布置于所述固定区域内。
2.根据权利要求1的图像拾取装置，其中，在与透明部件正交的正交投影中，所述固定区域的一部分被定义为第二区域，并且，在其中布置所述贯通电极的区域被定义为第三区域，并且，
第二区域中的半导体基板的厚度小于等于第一区域中的半导体基板的厚度并且大于第三区域中的半导体基板的厚度。
3.根据权利要求1或2的图像拾取装置，其中，半导体基板是硅基板，并且，透明部件由玻璃或光学塑料制成。
4.根据权利要求1或2的图像拾取装置，其中，
半导体基板是硅基板，
透明部件由玻璃或光学塑料制成，并且，
第三区域中的硅基板的厚度小于等于0.2mm。
5.根据权利要求3或4的图像拾取装置，其中，第一区域中的硅基板的厚度T1以及第二区域中的硅基板的厚度T2与所述空间的纵向宽度W1之间的关系满足式（1）：
[数学式1]
T1，T2≥0.009W11.33    （1）。
6.根据权利要求3～5中的任一项的图像拾取装置，其中，图像拾取元件芯片具有与4/3芯片的尺寸对应的尺寸，并且，第一区域中的硅基板的厚度T1和第二区域中的硅基板的厚度T2中的每一个大于等于0.4mm。
7.根据权利要求3～5中的任一项的图像拾取装置，其中，图像拾取元件芯片具有与APS-C芯片的尺寸对应的尺寸，并且，第一区域中的硅基板的厚度T1和第二区域中的硅基板的厚度T2中的每一个大于等于0.6mm。
8.根据权利要求3～7中的任一项的图像拾取装置，其中，在与透明部件正交的正交投影中，第二区域中的硅基板的厚度T2和宽度W2之间的关系满足式（2）和（3）：
[数学式2]
W2≥0.3mm    （2）
[数学式3]
W2≥2T2+0.2mm    （3）。
9.根据权利要求3～5中的任一项的图像拾取装置，其中，图像拾取元件芯片具有与4/3芯片的尺寸对应的尺寸，第二区域中的硅基板的厚度T2大于等于0.4mm，并且，第二区域中的硅基板的宽度W2大于等于1.0mm。
10.根据权利要求3～5中的任一项的图像拾取装置，其中，图像拾取元件芯片具有与APS-C芯片的尺寸对应的尺寸，第二区域中的硅基板的厚度T2大于等于0.6mm，并且，第二区域中的硅基板的宽度W2大于等于1.4mm。
11.根据权利要求3～5中的任一项的图像拾取装置，其中，图像拾取元件芯片具有与1/2.5英寸芯片的尺寸对应的尺寸，第二区域中的硅基板的厚度T2大于等于0.1mm，并且，第二区域中的硅基板的宽度W2大于等于0.4mm。
12.一种图像拾取模块，包括：
根据权利要求1～11中的任一项的图像拾取装置；
被布置于图像拾取装置之上的光学低通滤波器；以及
被固定于图像拾取装置的图像拾取元件芯片并与图像拾取元件芯片电连接的电路板。
13.一种照相机，包括：
根据权利要求1～11中的任一项的图像拾取装置；以及
处理由图像拾取装置获得的信号的信号处理器。
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