CN1875617A - 相机模块以及该相机模块的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种相机模块(10)，其包括半导体外壳(1)，其中包含具有辐射敏感表面(3)的固态图像传感器(2)，以及位于固态传感器(2)之上的光学元件(4)，该光学元件形成屏蔽物防侧向散射辐射，并包括一盘状体，其具有初级不透辐射区域以及位于初级区域中的二级辐射透明区域，其靠近传感器(2)的表面比远离传感器(2)的表面小。根据本发明，光学元件(4)包括至少一透明材料的板(4)，其两侧用具有一个孔的不透辐射层(41，42)覆盖，在靠近传感器(2)的层(41)中的孔的表面小于在远离传感器(2)的层(42)中的孔的表面，并且通过夹在不透明层(41，42)之间的该透明板(40)的部分和不透明层中的孔，分别定义初级和二级区域。这样的相机模块(10)非常适于晶片级制造。本发明还包括制造该相机模块(10)的方法。

Description

相机模块以及该相机模块的制造方法
本发明涉及一种包括外壳的相机模块，其中包含具有辐射敏感表面的固态图像传感器，以及位于固态传感器之上的光学元件，相机模块形成屏蔽防止侧向散射辐射，以保护辐射敏感表面，并包括一盘状体，该盘状体具有初级不透辐射区域以及位于初级区域中的二级辐射透明区域，该二级区域位于传感器的辐射敏感表面之上，并且靠近传感器的表面比远离传感器的表面小。本发明还涉及制造类似模块的方法。
在1985年12月24日出版的美国专利US4,561,015中公开了这样一种模块。其中描述了一种包括具有固态图像传感器的外壳的已知相机模块。该外壳包含有这种传感器的矩阵(或阵列)。置于传感器阵列之上的光学元件具有不透明材料的盘状体的形状，其中形成漏斗形状的凹槽矩阵，该凹槽与传感器的辐射敏感表面对准，由此所述元件形成一个屏蔽物防侧向散射辐射，尤其是防散射光。在漏斗状的底部，盘状体包括透镜，用于使入射辐射聚焦在图像传感器的辐射敏感表面。该已知模块的矩阵用于消除有缺陷的像素引起的不良后果，因为有很大机会使一个或多个传感器对应的像素没有缺陷。
该已知模块的不足在于它不易于制造。而且，防散射辐射的屏蔽物不够紧凑，并且漏斗状凹槽的设计也不易调整。
本发明的目的是提供一种前文中所提及的能克服上述缺点的模块，其易于制造，并且具有容易调整而且紧凑的防散射辐射的屏蔽物。
为了这个目的，前文中提及的根据本发明的该种模块的特征在于光学元件具有至少一个透明材料制成的板，该板的两侧覆盖不透辐射材料，在板中定义一个孔，在至少一个板的靠近传感器一侧沉积的层中定义的孔的表面积小于在至少一个板的远离传感器一侧的层中定义的孔的表面积，并且通过夹在不透明层和孔之间的透明板的部分，分别定义初级和二级区域。使用所述光学元件使得可以借助沉积，光刻和蚀刻等方法进行制造。因为这些是IC(集成电路)技术中所常规使用的技术，相机模块十分适于以该工艺进行制造。其便于通常称作“晶片级”的制造过程，该制造过程生产出节约成本并紧凑的模块。根据本发明的目的，如果通过常用于IC工艺中的分离工艺，例如切割，用单个的图像传感器制造各相机模块，显然是十分重要的。所述模块非常适于应用于手持设备的应用中，例如移动电话和个人数字助理模块，其中模块的紧凑性极为重要。而且，根据板厚和其上沉积的不透辐射层中的孔的直径，可以容易地调整透明板的(切去顶端的)圆锥部分的形状。因此，对圆锥部分的调整不仅可以提供防散射辐射的保护，而且还可以简单调节模块的视场角。根据本发明的另一附加的重要优点在于至少一个板还可以用作模块的(密封的)密封装置，特别是当模块是由玻璃制成的时候。该板也可以在例如透镜的其他组件上提供防尘保护，其可被设置在板和传感器之间。而为了这个目的，上述已知设备需要一个额外的板，设置在漏斗形凹槽的阵列之上。
在根据本发明的相机模块的优选实施例中，光学元件包括单个透明板，其上下表面用具有圆孔的不透辐射层覆盖。所述模块极好地提供了上述优点。
另一个有利的实施例的特征在于光学元件包括两个或多个彼此分离的透明板，各个透明板的至少一侧覆盖具有一个孔的不透辐射层，并且将这些孔的周缘设置为形成一个圆锥。因此，防散射辐射的屏蔽物的圆锥形的、辐射敏感区域的高度可以容易地调整，而不会成比例地增加光学元件的重量。
而且，可对操作进行优化，使得例如包括三个透明板的光学元件，可以包括六个不透明板，其中的孔以基本相等的距离设置在圆锥形区域的周边上。
优选的，光学元件的透明材料可以是合成材料或玻璃。模块因此更加节约成本，并且防散射光的屏蔽物的圆锥形区域的辐射透射度可以接近充满空气的空间的辐射透射度。不透明材料层优选由变黑的金属制成。这样的层与IC工艺高度匹配，并且几乎不反射任何辐射。
在根据本发明的模块的一个引人注目的变形中，外壳包含一个与图像传感器对准的透镜，该透镜形成在附加的透明板中。结果，这种透镜可以用晶片级制造过程制造。该板则对透镜进行防尘等保护。
一种制造相机模块的方法，该模块包括外壳，其中包含具有辐射敏感表面的固态图像传感器，以及位于固态传感器之上的光学元件，光学元件形成一个保护屏蔽物防侧向散射辐射，以保护辐射敏感表面，并包括一盘状体，其具有初级不透辐射区域以及位于初级区域中的二级辐射透明区域，该二级区域位于传感器的辐射敏感表面之上，并且靠近传感器的表面比远离传感器的表面小，并且，根据本发明，其特征在于光学元件用至少一个位于外壳中，传感器之上的透明材料形成的板定义，该板的两侧用具有一个孔的不透辐射层覆盖，在板的靠近传感器一侧的层中的孔的表面小于在至少一个板的远离传感器一侧的层中的孔的表面，并且通过夹在不透明层和孔之间的透明板的部分，分别定义初级和二级区域。使用上述方法，可以用简单的方式制造根据本发明的相机模块。
优选的，如果需要，多个光学元件以及进一步的多个光学组件，例如透镜，形成在盘状体的第一叠层中，并且多个固态图像传感器形成在盘状体的第二叠层中，其中固态图像传感器的电连接延伸到第二叠层的下侧，并且部分第一叠层沉积在每个图像传感器上，之后，通过切割操作分割图像传感器的第二叠层，获得单个的相机模块。这种方法非常适于晶片级的制造。
在根据本发明的方法的第一种变形中，通过第一切割操作，将第二叠层分割成各自具有自己的图像传感器的单独元件，在利用第二切割操作分割第一叠层之前，使用所谓的拾取一放置机器，将上述的元件沉积在光学元件的第一叠层上。因此，使用了两套并行的晶片级生产过程。本实施例中，第二叠层的各元件沉积在第一叠层上，其优点是，由于第二叠层的各个部分是分离地与第一叠层对准，则对准不那么关键，并且用于半导体工业中的拾取一放置机器的定位精度足够达到该发明目的。然而，整体上该制造方法是一个晶片级生产过程。本方法的另一重要附加优点在于模块仅包含那些具有被测试过的图像传感器的元件，从而可以提高产量。
在另一种变形中，第一叠层沉积在第二叠层上，并与之对准，并且光学元件(及组件)和图像传感器经由单个切割操作来分离。
优选的，在切割操作期间，并且在对膜进行切割之后，将第二叠层沉积在膜上，通过该操作在各个图像传感器之间形成的槽，以及通过切割或其他方法形成的位于各个光学组件之间的槽，其中填充电绝缘合成材料，其可以通过具有小锯齿的划片机进行切割，随后将具有电绝缘壳的各个相机模块从膜上去除。
参照以下实施例对本发明的这些和其他方面进行阐述，使其显而易见。
在附图中：
图1示出了根据本发明实施例中相机模块的垂直于厚度方向的示意性剖面图；以及
图2-10示出了图1所示的根据本发明的相机模块的实施例的制造方法中的各连续阶段。
附图不是根据比例和确定尺寸进行绘制，例如为了图示清楚，没有按比例示出厚度方向的尺寸。在不同附图中的相应区域或部分，在可能的情况下，用相同的附图标记和同样的阴影进行标注。
图1示出了根据本发明实施例中相机模块的垂直于厚度方向的示意性剖面图。模块10包括具有合成物壳7的外壳1，合成物壳7是电绝缘的并含有不透明环氧物。模块10包括光电半导体元件，在本示例中用于相机的CMOS(互补金属氧化物半导体)固态图像传感器2具有一半导体部分，其一个表面上具有光活性区域3，和其中设置有传感器2的电连接区域11的非光活性区域。光学元件4位于半导体部分表面的光活性区域3之上。而且，所谓的微透镜位于CMOS传感器的表面和它的各个像素上。这些在附图中没有示出。
根据本发明，光学元件4包括透明板40，其在本示例中由玻璃制成，在其侧面覆盖不透明层41，42，其在本示例中由例如铬的变黑的金属制成。在这些表面中定义位于传感器2的有效区域3之上的两个同心圆孔，下侧孔的直径小于上侧孔的直径。在本实施例中，孔的直径分别为2mm和3mm，而板40的厚度介于1至2mm之间。因此，截顶锥的顶角大约72度。因此，元件4不仅构成特别适于防侧向散射辐射，即散射光的屏蔽物，以保护传感器2的有效区域3，而且使得外壳1密封以防尘和周围空气。而且，模块的视场限定为大约70度的预期角度。
通过粘结层13将透明板40安装在间隔物14上，间隔物14通过另一粘结层15安装在中心处具有透镜5的透镜板50上。通过透明粘结层16，将透镜板50安装在透明基板26上，透明基板26通过另一透明粘结层25安装在图像传感器2上。传感器2通过环氧层19安装在另一玻璃板20上。在所述的玻璃板20中，形成槽21，其越过传感器2延伸到连接区域11。在所述玻璃板20的下侧，应用以所谓焊料凸点(solder bump)22形式形成的连接导体，通过槽21的壁上的导体轨道23与连接区域11连接，并且，其例如使得模块10安装在PCB(印刷电路板)上，在附图中未示出。根据本发明，模块10可以按下述方法制造。
图2-10示出了图1所示的根据本发明的相机模块的制造方法的实施例中随后的阶段。传感器2(见附图2)利用IC工艺用常规方法制造，其包括一个相对较厚的硅基板，在附图中没有单独示出。然后，传感器2通过透明粘结层25安装在透明基板26上，在本示例中，透明基板26为玻璃。
随后，通过蚀刻和研磨将硅基板的基本部分去除。之后，以图案形式设置掩模层27，在本示例中为光掩模，从而将掩模层27中的孔设置在连接区域11之下。
随后，(见附图4)通过蚀刻，在传感器2中，形成位于连接区域11之下的槽31，其向二氧化硅层(附图中未示出)延伸。在分离蚀刻过程中，该层被去除。在去除掩模层27之后，沉积环氧层19，其被用于将玻璃板20安装在传感器2上以及填充传感器中的槽31。
随后，通过切割操作(见附图5)，在玻璃板20中形成槽21，槽延伸到连接区域11中。这些槽21的宽度小于用环氧层19填充的槽31的宽度，使得槽31的壁仍然被电绝缘环氧层19覆盖。
随后，(见附图6)连接导体23被安装在与连接区域11连接的槽21中。在模块10的下侧应用所谓的焊料凸点22，用于模块的最后的(电)组装。
在模块10的后续组装阶段(见附图7)之前，对分开的局部组装的结果进行详述。在附图7中，该结果以附图1中示出的模块10的上部组合件的第一叠层S1的形式示出。所述叠层S1通过在其上沉积粘结层13、15，来顺序粘结和对准部件40、14和50而获得。在附图7中，模块10本身如第二叠层S2所示。此时第一叠层S1与传感器2对准，并且通过透明粘结层16粘结到模块10的第二叠层S2，透明粘结层16例如沉积在区域50的下侧或基板26的上侧。
该结果在图8中的原理图中示出，其中在所述晶片级生产过程中同时组装的多个模块10用三个模块10，10’，10”表示，并且因此在附图中表示了远不止一个模块。然后，安装的叠层S1，S2通过粘结层被粘结到橡胶薄膜80上，其中该粘结层在图中未示出。
随后，(见附图9)分别在第一叠层S1和第二叠层S2的各个部分之间，利用切割操作形成槽8A，8B。槽8A和8B在相互垂直的两个方向上定义。
随后，(见附图10)用不透明环氧合成材料7填充槽，通过另一切割操作在合成材料7中形成槽100，槽100延伸到膜80。如图1中示出的单个模块10，10’，10”现在可以从膜80上去除并可以投入使用。
在模块10的上述制造方法的变形例中，图2中的示例已经假设图7中示出的第一叠层S1。所述叠层则执行图2中示出的基板26的功能，则其功能变成不必使用的。通过粘结层16将叠层S1直接粘结到叠层S2的第一部分，叠层S2的第一部分是通过IC生产以传感器2的形状出现。制造过程则如附图3至6所示方法及以上说明所述，并到达图8所示的阶段，然后如图8至10所示及上述说明所述，继续进行该方法。
在根据本发明的模块10的上述制造方法的另一变形例中，在图7所示阶段发生变化。代替将第一叠层S1粘结到第二叠层S2，将第二叠层S2粘结到橡胶薄膜并切割成各个部分，由此每个部分可以用在单个模块10中。利用所谓的拾取一放置机器，将第二叠层S2的各个部分从橡胶薄膜上去除，浸入粘结剂，并且在对准之后粘结到第一叠层S1，其中每个都在单个模块10上。在图9所示阶段中，为了制造单个模块10，在切割操作期间，形成第二叠层S2的槽8A用于切割操作，并且仅将槽8B形成在第一叠层S1中。然后如附图10所示以及第一实施例所述继续组装。值得注意的是，图9和10所示的薄膜80与第一叠层S1邻近，并以上表面设置在其上。
本发明不限于所述实施例，因为对于该领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围的前提下，可以实现多种实施方式。可以制造具有不同外形和/或不同尺寸的模块。还可以选用凹透镜作为光学组件以替代半凸透镜。在制造方法的范围内，可进行多种变形。以上关于模块的说明也可以用于制造方法。可以利用激光束制造单个模块来替代切割。利用蚀刻制造模块也是可以的。
而且，值得注意的是，无论是以集成电路的形式或其他形式，模块可以包含其他有源和无源半导体元件或电子组件，例如二极管和/或晶体管，以及电阻和/或电容。这些元件可以用于生成另外的有益电路，这些电路通过DSP(数字信号处理器)实现定时器，时序发生器，DA(数模)转换器或图像处理器的功能。而且，板可以具有另外的功能。可在板上沉积防反射层，以及可以通过电子或其他方式选择或调节透明性能的层。
应该强调的是在传感器上的模块的结构可以包括更多或更少以及不同的光学组件。在不脱离本发明范围的前提下，还可以更改各部分的顺序。这些更改可能与成本相关，也可能跟某种应用所要求的规格相关。

Claims (12)

1.一种相机模块(10)，其包括外壳(1)，该外壳中包含具有辐射敏感表面(3)的固态图像传感器(2)，以及位于该固态传感器(2)之上的光学元件(4)，且该光学元件形成防止侧向散射辐射的屏蔽物，以保护该辐射敏感表面(3)，并包括盘状体，其具有初级不透辐射区域以及位于该初级区域中的二级辐射透明区域，该二级区域位于该传感器(2)的辐射敏感表面(3)之上，并且其靠近该传感器的表面比远离该传感器的表面更小，其特征在于：该光学元件(4)包括至少一个透明材料的板(40)，在其两侧覆盖有不透辐射材料层(41，42)，在该板中定义一个孔，其中在该至少一个板(40)的靠近该传感器(2)一侧沉积的层(41)中的孔的表面积小于在该至少一个板(40)远离该传感器(2)一侧的层(42)中定义的孔的表面积，并且其中通过夹在该不透明层(41，42)之间的部分该透明板(40)和不透明层中的孔，分别定义该初级和二级区域。
2.根据权利要求1所述的相机模块(10)，其特征在于：该光学元件(4)包括单个透明板(40)，在其上下表面均覆盖有其中设置了同心圆孔的不透辐射层(41，42)。
3.根据权利要求1或2所述的相机模块(10)，其特征在于：该光学元件(4)包括两个或多个彼此分离的透明板，各个透明板的至少一侧覆盖有其中定义有孔的不透辐射层，并且由此将该孔的周缘基本上设置成在圆锥体上。
4.根据权利要求1，2或3所述的相机模块(10)，其特征在于：该透明材料包括玻璃或合成材料。
5.根据以上一个或多个权利要求所述的相机模块(10)，其特征在于：该不透明层(41，42)由变黑的金属制成。
6.根据以上权利要求之一所述的相机模块(10)，其特征在于：该外壳(1)还包括作为透镜形式的光学组件(5)，该光学组件也位于该传感器(2)的辐射敏感表面(3)上，并形成在另一透明板(50)中。
7.一种设置有以上权利要求之一中所述的相机模块的移动电话或个人数字助理。
8.一种制造相机模块(10)的方法，其中模块包括外壳(1)，该外壳中包含具有辐射敏感表面(3)的固态图像传感器(2)，以及位于该固态传感器(2)之上的光学元件(4)，且该光学元件形成保护性屏蔽物防止侧向散射辐射，以保护该辐射敏感表面(3)，并包括盘状体，其具有初级不透辐射区域以及位于该初级区域中的二级辐射透明区域，该二级区域位于该传感器(2)的辐射敏感表面(3)之上，并且靠近该传感器(2)的表面比远离该传感器的表面小，其特征在于：该光学元件(4)用外壳(1)中的位于该传感器(2)之上的至少一个透明材料板(40)来定义，在其两侧覆盖有设置有孔的不透辐射层(41，42)，其中在该至少一个板(40)靠近该传感器(2)一侧的层(41)中的孔的表面小于在该至少一个板(40)远离该传感器(2)一侧的层(42)中的孔的表面，并且通过夹在该不透明层(41，42)之间的部分该透明板(40)和不透明层中的孔，分别来定义该初级和二级区域。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：如果需要，多个光学元件(4)以及例如透镜(5)的多个另外的组件形成在盘状体的第一叠层(S1)中，且多个固态图像传感器(2)形成在盘状体的第二叠层(S2)中，其中该固态图像传感器(2)的电连接延伸到该第二叠层(S2)的下侧，并且部分该第一叠层(S1)沉积在每个图像传感器(2)上，之后通过切割操作分割图像传感器(2)的该第二叠层(S2)，来获得单个相机模块(10)。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：通过第一切割操作，该第二叠层(S2)被分割成各自具有自身的图像传感器(2)的单个元件，其中在利用第二切割操作分割该第一叠层(S1)之前，利用拾取一放置机器，将元件沉积在该第一叠层(S1)上。
11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：该第一叠层(S1)与该第二叠层(S2)对准并安装在该第二叠层(S2)上，并且经由单个切割操作，将该光学元件(4)、任一个附加光学组件(5)和该图像传感器(2)分离。
12.根据权利要求9，10或11所述的方法，其特征在于：在该切割操作过程中，将该第二叠层(S2)沉积在薄膜(80)上，并且，在对该薄膜(80)切割之后，利用该操作形成的各图像传感器(2)之间的槽(8A)和通过切割或其他操作形成的、位于各光学元件(4)以及任何另外的光学组件(5)之间的槽(8B)，用电绝缘合成材料(7)填充，之后将此合成材料(7)用具有小锯齿的划片机进行切割，且将被电绝缘壳(7)覆盖的各个该相机模块(10)从该薄膜(80)上去除。
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