CN110797362B - 一种图像传感芯片的封装结构以及图像传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种图像传感芯片的封装结构，所述封装结构包括图像传感芯片的晶片，所述晶片上表面形成一个主动式像素阵列区域，在所述主动式像素阵列区域内划分形成多个主动式像素单元；所述晶片上覆盖一封装玻片，所述封装玻片的厚度，小于/等于所述封装玻片侧壁与主动式像素阵列区域最近边缘的距离。本发明提供的一种图像传感芯片的封装结构以及图像传感器，无需减小色彩滤光矩阵的偏移距离，在满足边缘像素单元的色彩滤光的情况下，无需牺牲晶片面积，在不增加成本的基础上，能够有效消除CMOS图像传感器在CSP封装下的图像边缘发亮发粉现象。

Description

一种图像传感芯片的封装结构以及图像传感器

技术领域

本发明涉及图像传感器技术领域，特别涉及一种图像传感芯片的封装结构以及图像传感器。

背景技术

CMOS图像传感器相比CCD图像传感器，具有与CMOS工艺兼容，成本低，功耗低等优点。广泛应用在手机，监控，机器视觉等领域。在芯片上通过像素单元进行光电转换，如图1所示像素单元的结构示意图。像素单元的基本结构为：使用光电二极管(PD，photodiode)103作为光电转换器，在p型衬底中掺杂磷形成N阱，形成PN结PD，光子射入PD，产生电子空穴对，电子空穴对在pn结耗尽区由于电场作用分离，电子经过栅控通道传输至FD，电子积累导致电压下降，随后经过源极跟随器，将电压信号输出。

考虑到在PD中将光子转化为电子的过程中并不能区分不同能量的电子，PD也因此没有区分不同波长光的能力，为了重建彩色画面，需要确定三种基本色光，红，绿，蓝的成分比例。为了实现这一点，通用的做法是色彩还原方法，在每一个像素单元的光电二极管PD103和显微镜头(microlens)101之间加入局部间隔、整体重复的色彩滤光(colorfilter)102，通过透过不同颜色的光再计算亮度比例来进行色彩还原，最广泛使用的模式为R-G-B-G模式，这是由于人眼对绿光最敏感，因此在提取色彩信息时多保留绿光信息。提取色光亮度信息后再通过色彩还原矩阵和插值算法，可以得到彩色图像，但分辨率不如黑白图像。

在现有技术中，CMOS图像传感芯片存在多种封装方式，而CSP封装由于采用晶圆级封装，速度快成本低，广泛应用在量产产品中。但是这种封装会带来如下问题：当背景环境中存在体积小、亮度高的光源，且光源偏离出视场边缘一段特定距离时，在视场中可以观察到反常的发亮发粉的光斑现象，如图2所示现有的CMOS触感器在CSP封装下的图像示意图，在图像边缘的视场中出现了发亮发粉的光斑(a区域)。当背景与光源亮度差异明显时，边缘发粉现象也更加明显，使用不同的镜头，能够观察到的边缘发粉现象也有差异。

因此，针对现有技术中的上述问题，需要一种图像传感芯片的封装结构以及图像传感器，以消除现有技术中CMOS图像传感器在CSP封装下的图像边缘发光发粉的光斑。

发明内容

本发明的一个方面在于提供一种图像传感芯片的封装结构，所述封装结构包括图像传感芯片的晶片；

所述晶片上表面形成一个主动式像素阵列区域，在所述主动式像素阵列区域内划分形成多个主动式像素单元；

所述晶片上覆盖一封装玻片，所述封装玻片的厚度，小于/等于所述封装玻片侧壁与主动式像素阵列区域最近边缘的距离。

优选地，所述封装玻片玻片的厚度为300um。

优选地，所述封装玻片与主动式像素阵列区域最近边缘的距离，在300um至420um之间。

本发明的另一个方面在于提供一种图像传感芯片的封装结构，所述封装结构包括图像传感芯片的晶片；

所述晶片上表面形成一个主动式像素阵列区域，在所述主动式像素阵列区域内划分形成多个主动式像素单元；

所述晶片上覆盖一封装玻片，在所述封装玻片上表面边缘覆盖一层黑胶，所述黑胶的宽度，至少达到所述封装玻片侧壁与主动式像素阵列区域最近边缘的距离的一半。

优选地，所述封装玻片玻片的厚度为400um。

优选地，所述封装玻片与主动式像素阵列区域最近边缘的距离，在300um至420um之间。

优选地，黑胶的宽度至少为150um至210um。

本发明的再一个方面在于提供一种图像传感器，所述图像传感器包括PCB板，在所述PCB板上粘贴图像传感芯片的封装结构，在所述封装结构上安装镜头组件。

本发明提供的一种图像传感芯片的封装结构以及图像传感器，无需对镜头进行筛选，能够从整体消除CMOS图像传感器在CSP封装下的图像边缘发亮发粉现象。

本发明提供的一种图像传感芯片的封装结构以及图像传感器，无需减小色彩滤光矩阵的偏移距离，在满足边缘像素单元的色彩滤光的情况下，有效消除CMOS图像传感器在CSP封装下的图像边缘发亮发粉现象。

本发明提供的一种图像传感芯片的封装结构以及图像传感器，无需牺牲晶片面积，在不增加成本的基础上，能够有效消除CMOS图像传感器在CSP封装下的图像边缘发亮发粉现象。

本发明提供的一种图像传感芯片的封装结构以及图像传感器，有效解决CMOS图像传感器在CSP封装下，难以对封装玻片侧壁磨砂或者涂黑操作导致的图像边缘发亮发粉现象。

应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。

附图说明

参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：

图1示意性示出了像素单元的结构示意图。

图2示出了现有的CMOS触感器在CSP封装下的图像示意图。

图3示出了图像视场中出现发亮发粉的光斑的成因分析示意图。

图4示出了图像视场中出现发亮发粉的光斑的影响因素分析示意图。

图5示出了通道差异计算方法示意图。

图6示出了边缘发粉现象导致通道差异曲线图。

图7示出了特殊色彩掩膜结构验证边缘发粉现象示意图。

图8示出了特殊色彩掩膜结构验证通道差异曲线图。

图9示出了本发明一个实施例中图像传感芯片的封装结构。

图10示出了本发明另一个实施例中图像传感芯片的封装结构。

图11示出了相同侧位置不同型号芯片测试结果图。

图12示出了相同型号不同侧位置芯片测试结果图。

图13示出了不同封装玻片的测试结果图。

具体实施方式

通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。

下面通过具体的实施例对本发明的内容给出详细的说明，为了使本发明更加清晰的得以阐释，实施例中首先对CMOS图像传感器在CSP封装下的图像边缘发亮发粉现象的成因以及其影响因素进行分析。

图像边缘发亮发粉成因分析

图像传感器的镜头均为镜头组，为了将光线更好的聚焦在传感芯片上，会有主光线角度(CRA，chiefray angle)角度的要求。理论上该角度应为12.5°，但在实际使用中，镜头不可避免的存在某些缺陷，一些情况下，镜头本身具有更大的CRA角度，或者在镜头内存在某些反射，使得从镜头中射出的光，会以更大的角度，投射在传感芯片上。

如图3所示图像视场中出现发亮发粉的光斑的成因分析示意图，在CSP封装下CMOS传感器，其结构在传感芯片表面贴上一层厚度为数百微米的封装玻片(玻璃片)104，其厚度以d3表示。封装方式为先将封装玻片104贴在整片晶片(晶圆)105表面，然后再对晶片105进行切割。因此，封装玻片104边缘距离主动像素传感区域106的的距离很近，通常只有几百微米，如图3中的距离d2。

以较大角度入射的光，会有部分打到封装玻片104的侧壁上发生全反射，而后从封装玻片104底面射出，打在主动像素传感区域106边缘上(如图3所示的区间范围d1)，导致即使光源已经偏离出视场，也会由于这种镜头缺陷导致的大角度入射光以及玻璃侧壁全反射，使得图像边缘发亮发粉，也即出现了边缘发粉发亮现象。

如图4所示图像视场中出现发亮发粉的光斑的影响因素分析示意图。由于镜头CRA角度不为0，考虑到越靠近主动像素传感区域106边缘的像素单元所对应的入射光角度越大，因此在设计色彩滤光矩阵(CFA)时，为保证光线不会出现从非对应通道的色彩滤光(CF，color filter)射入的情况，需要将CFA进行适当的偏移，来对应该位置的入射光角度，也因此，主动像素传感区域106边缘像素单元的CF偏移最多。

然而由于封装玻片侧壁发生全反射的光会从与偏移方向相反的角度射入，有很大部分会从经过偏移来的其它通道的CF射入到像素单元内的PD上，导致光学串扰的发生。由于绿色CF的量子效率和感度均最高，因此在CF交叉摆放的阵列下，经过绿色CF射入到红蓝通道像素而产生的电子也更多，使得红蓝通道的像素亮度值达到甚至超过了只经过红蓝CF串扰的绿通道像素亮度，导致了边缘边缘发粉区域的反常发粉现象。

图像边缘发粉量化

如图5所示通道差异计算方法示意图，为了量化边缘发粉现象的影响，采用像素分通道统计的方式，将全部的主动像素传感区域阵列分成4个子阵列，分别包含在B(蓝色)，G1(绿色)，G2(绿色)，R(红色)四个通道的像素。而后按照计算变化趋势的圈出区域方法(高度与宽度需要缩小一半)，计算四个通道构成子阵列小区域的列均值，而后根据对应位置关系，分别计算B-G(B矩阵-G2矩阵，在计算列平均)，R-G(R矩阵-G1矩阵，再计算列平均)，B+R-G(B矩阵+R矩阵-G2矩阵，再计算列平均)的通道差异，绘制“像素单元距离主动像素传感区域边缘位置-通道差异列均值”曲线图。如图6所示边缘发粉现象导致通道差异曲线图，图中x曲线为B-G，y曲线为B+R-G，z曲线为R-G，可以观察到，随着像素单元距主动像素传感区域边缘的距离增加，B-G，R-G，B+R-G的值均逐渐变小，在白光入射下，绿通道像素的亮度值应为最高，而在边缘发粉影响下，会导致红通道和蓝通道像素亮度值反常增大，故可以选择曲线变化的拐点，或者由正变负的零点，作为衡量边缘发粉现象影响的深度依据。

产生边缘发光发粉现象的验证

经过上述CMOS图像传感器在CSP封装下的图像边缘发亮发粉现象的成因、其影响因素以及边缘发亮发粉的量化进行分析，下面对产生边缘发光发粉现象进行验证。如图7所示特殊色彩掩膜结构验证边缘发粉现象示意图，实际使用中的芯片，在主动像素传感区域的边缘，有8列的假像素(dummypixel)，而假像素的第一列和第二列，全部都是红色CF，且没有偏移。因此，如果将边缘假像素区域激活，再进行检测发亮发粉的操作，由于假像素位于主动像素传感区域边缘，则理论上发亮发粉现象应该更严重。同时，由于第一列和第二列均为红色CF，因此，在计算通道差异时，在第一列和第二列的通道差异计算出的B-G和R-G值应接近0(均为红色CF，没有串扰)，而第三列上的B-G，由于光线均经过红色CF后才发生的串扰，同一列不同通道受串扰影响一致，因此第三列上的B-G差异应偏负。

如图8所示特殊色彩掩膜结构验证通道差异曲线图，图中b区域为第一列和第二列的通道差异计算出的B-G和R-G值应接近0，实验结果验证了产生边缘发光发粉现象的成因以其影响因素。

不同方案对比

通过上述分析以及实验验证，在知道图像边缘发亮发粉的成因以及其影响因素的情况下，为了解决CMOS图像传感器在CSP封装下的图像边缘发亮发粉现象，根据本发明的实施例，提供一种图像传感芯片的封装结构，如图9所示本发明一个实施例中图像传感芯片的封装结构，封装结构包括图像传感芯片的晶片105。晶片05上表面形成一个主动式像素阵列区域106，在主动式像素阵列区域内划分形成多个主动式像素单元，多个像素单元形成主动式像素阵列。

晶片105上覆盖一封装玻片104，缩减封装玻片104的厚度，使的封装玻片104的厚度d3，小于/等于封装玻片104的侧边与主动式像素阵列区域106最近边缘的距离d2，即d3≤d2，从而缩小d1区间，甚至消除d1区间。

根据本发明实施例，封装玻片玻片的厚度为300um，封装玻片与主动式像素阵列区域最近边缘的距离，在300um至420um之间。

根据本发明的一个实施例，提供一种图像传感器，图像传感器包括PCB板，在所述PCB板上粘贴上述实施例中的封装结构，在封装结构上安装镜头组件。

根据本发明的另一个实施例，提供一种图像传感芯片的封装结构，图10示出了本发明另一个实施例中图像传感芯片的封装结构。封装结构包括图像传感芯片的晶片105。晶片105上表面形成一个主动式像素阵列区域106，在主动式像素阵列区域内划分形成多个主动式像素单元，多个像素单元形成主动式像素阵列。

晶片上覆盖一封装玻片104，在封装玻片104上表面边缘覆盖一层黑胶107，黑胶的宽度d4，至少达到封装玻片104侧边与主动式像素阵列区域最近边缘的距离(d2)的一半，即d4≥d2/2，从而缩小d1区间，甚至消除d1区间。

根据本发明的实施例，封装玻片玻片的厚度为400um，封装玻片与主动式像素阵列区域最近边缘的距离，在300um至420um之间。黑胶的宽度至少为150um至210um。

根据本发明的一个实施例，提供一种图像传感器，图像传感器包括PCB板，在所述PCB板上粘贴上述实施例中的封装结构，在封装结构上安装镜头组件。

下面通过不同的方案对比来分析本发明提供的一种图像传感芯片的封装结构以及图像传感器能够更加有效地消除图像边缘发亮发粉现象。

主动式像素区域的边缘改善的方式：考虑到镜头射入的CRA角度不会过大，经过封装玻片侧壁全反射到传感芯片的距离也是有限的，因此，通过增加封装玻片侧壁与主动式像素区域边缘的间隔，可以减轻边缘发粉现象，但由于CSP封装的后切割特性，这样做会牺牲晶片(晶圆)面积，增加成本。

色彩滤光矩阵(CFA)改善的方式：为了减弱边缘发粉发粉对图像质量的影响(在实际使用中，在视野明亮时，边缘发粉发粉现象比发亮更加明显)，可以在边缘处减小CFA的偏移距离，以减弱从侧壁反射带来相反方向的入射光导致的串扰，但是，由于主动式像素区域边缘的CF在正常状态下需要满足镜头的CRA要求，因此，在偏移距离上需要在正常串扰与边缘发粉串扰间进行权衡，难以有效地确定衡量标准的准确性(拐点或零点与颜色变化的相关性)。

封装玻片改善的方式：考虑到封装玻片侧壁的全反射为出现边缘发粉重要原因，将封装玻片的侧壁进行涂黑或磨砂处理可以从源头解决边缘发粉现象，但在CSP封装中封装玻片贴在整片晶片后再进行切割，难以对封装玻片侧壁磨砂或者涂黑操作，实际生产中难以实现。

本发明提供一种图像传感芯片的封装结构以及图像传感器，一个实施例中减薄封装玻片，通过减少玻璃的厚度，降低侧壁的高度，使得发生全反射的范围减小，落在传感芯片上的反射光距离主动式像素区域边缘的距离更近，打在主动式像素区域上的光线也会变少，边缘发粉现象减弱。另一个实施例中，封装玻片上表面边缘贴黑胶，通过在封装玻片边缘宽出传感芯片的位置贴上遮光黑胶，减少玻璃内射向侧壁的异常光，使得全反射现象减弱，可以缓解边缘发粉现象。

实验验证

为了验证本发明提供的一种图像传感芯片的封装结构及图像传感器解决方案的效果，设计了如下验证试验。

1)试验验证的条件。

由于边缘发粉现象与环境背景和位置，光源，镜头，传感芯片性质等因素均有关系，为了得到可以量化分析比较的边缘发粉现象结果数据，需要搭建特定的测试系统与测试方法，具体如下：

在暗室中，使用图像边缘发粉现象更易量化的线光源(实验中使用的是60cm长荧光灯，将圆柱形灯管用黑色胶带遮住表面，只留下一条细缝，用来减小光源的辐射角度)，固定在全黑的背景上来消除背景的反射光影响，将插好传感芯片副板的测试主板固定在可以旋转的平台上(实验中使用的是位置固定的三脚架)，调整平台高度，使得线光源出现在视场的中心位置。而后旋转平台，带动测试主板旋转，使得视场中光源的位置向相反方向偏移中心，偏至边缘。继续旋转，当光源偏离出边缘一段距离后，边缘位置会出现反常发亮发粉现象，即为边缘发粉现象，当边缘发粉现象最严重时，拍照抓取图片，作为该传感芯片的边缘发粉现象结果数据。

出现最严重边缘发粉现象状态的判定方法：由于边缘的反常发粉现象与位置和平台旋转角度有关，最严重情况需要量化确定，因此，使用抓图软件中的FPN(featurepyramid networks，特征金字塔网络)计算来辅助抓取边缘发粉情况最严重的图片。

FPN计算方法：在图像显示区域内圈出小区域，在选定的区域内，根据如下公式

可以计算出选定区域内的像素单元间的亮度差异，当出现边缘反常发粉现象时，不仅边缘小区域的亮度增大，其反常发亮导致的与其它像素单元的影响变化更加明显，且使用FPN算法可以有效消除背景反射的影响，因此在小区域内出现最大FPN值时抓取图片，可以得到出现最严重边缘反常发粉现象的数据。

2)封装结构进行改进的具体效果。

1、封装玻片与主动式像素阵列区域边缘之间距离不同的影响

a、相同侧位置，不同型号的比较

比较不同型号芯片在相同侧的边缘发粉现象。试验中使用的芯片型号分别为江苏思特威科技有限公司研发的SC1235，SC2235，每种样品均测五颗芯片的左侧和右侧边缘发粉现象进行比较，其中1235和2235为前照式结构。在比较时注重SC1235与SC2235，封装玻片的厚度为400um。

如图11所示相同侧位置不同型号芯片测试结果图。观察图11曲线，可以发现，相同型号相同封装玻片的传感芯片的通道色彩差异曲线走势相近。不同型号的芯片的色彩差异曲线存在差异，但是它们对应曲线的拐点位置距离动式像素阵列区域边缘相差不大(均为70um左右)。这是因为SC1235与SC2235左右侧有效像素阵列距封装玻片侧壁的距离相差仅为1um(分别为320um和321um)，因此受边缘发粉现象影响的情况也接近，这也验证了对于边缘发粉现象成因的分析。

b、相同型号，不同侧位置的比较，封装玻片的厚度为400um。

图12示出了相同型号不同侧位置芯片测试结果图，从图12数据可以看出，对于不同型号的芯片，出现边缘发粉现象(色彩通道差异反常现象)的情况与封装玻片侧壁距有效像素单元的距离相关，在400um厚度封装玻片条件下(SC1235和SC2235)，当封装玻片侧壁边缘与有效像素单元距离大于420um时，从封装玻片侧壁反射的光基本上不会导致发亮发粉现象。当封装玻片侧壁边缘与有效像素单元距离小于420um时，会在相应的距离出现强弱不一的色彩通道反常差异。在400um厚度+边缘黑胶条件下，当封装玻片侧壁边缘与有效像素单元距离距离大于300um时，从封装玻片侧壁反射的光基本上不会导致发亮发粉现象；当封装玻片侧壁边缘与有效像素单元距离距离小于300um时，会出现色彩通道反常差异。

2、不同封装玻片的比较。

图13示出了不同封装玻片的测试结果图，对SC1235和SC2235型号分别测量了在不同玻璃条件(封装玻片减薄至300um、400um封装玻片上表面边缘加黑胶(BPR))下的由于边缘发粉现象导致的通道色彩差异结果。

通过比较可以发现，封装玻片减薄至300um对于通道差异的色彩改善效果最好，不会出现反常的红蓝通道过亮导致的图像发粉现象。这是由于厚度减薄，侧壁发生全反射的镜面宽度减小，使得不理想的反射光只会打在传感芯片边缘的非感光区而难以打在芯片的有效像素点上。

同时也看到，在封装玻片表面边缘加黑胶也可以减小通道间的反常色彩差异，但效果并没有使用300um封装玻片好，原因封装玻片表面的边缘阻隔对斜射进入封装玻片后再发生反射的光的影响较小，改善情况不如直接减薄封装玻片的效果好。

本发明提供的一种图像传感芯片的封装结构以及图像传感器，无需对镜头进行筛选，能够从整体消除CMOS图像传感器在CSP封装下的图像边缘发亮发粉现象。

本发明提供的一种图像传感芯片的封装结构以及图像传感器，无需减小色彩滤光矩阵的偏移距离，在满足边缘像素单元的色彩滤光的情况下，有效消除CMOS图像传感器在CSP封装下的图像边缘发亮发粉现象。

本发明提供的一种图像传感芯片的封装结构以及图像传感器，无需牺牲晶片面积，在不增加成本的基础上，能够有效消除CMOS图像传感器在CSP封装下的图像边缘发亮发粉现象。

本发明提供的一种图像传感芯片的封装结构以及图像传感器，有效解决CMOS图像传感器在CSP封装下，难以对封装玻片侧壁磨砂或者涂黑操作导致的图像边缘发亮发粉现象。

结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。

Claims (2)

1.一种图像传感芯片的封装结构，其特征在于，所述封装结构包括图像传感芯片的晶片；

所述晶片上表面形成一个主动式像素阵列区域，在所述主动式像素阵列区域内划分形成多个主动式像素单元；

所述晶片上覆盖一封装玻片，所述封装玻片的厚度，小于/等于所述封装玻片侧壁与主动式像素阵列区域最近边缘的距离；

所述封装玻片的厚度为300um；

所述封装玻片与主动式像素阵列区域最近边缘的距离，在300um至420um之间。

2.一种图像传感器，其特征在于，所述图像传感器包括PCB板，在所述PCB板上粘贴权利要求1所述的封装结构，在所述封装结构上安装镜头组件。

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