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Die Erfindung betrifft eine Bildsensoranordnung mit einer optischen Abdeckung, bestehend aus einem Sensorchip mit einer optischen Sensorfläche, sowie mit im Randbereich des Sensorchips und außerhalb der optischen Sensorfläche befindlichen Kontaktpads in mindestens einer Reihe zur Weiterleitung der vom Sensorchip gelieferten elektrischen Signale.
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Bildsensoranordnungen sind in unterschiedlicher Konstruktion für spezielle Anwendungsfälle, wie Kameras oder Handys, bekannt geworden, wobei letztere eine besonders geringe Aufbauhöhe aufweisen.
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So wird in der
DE 10 2014 211 879 A1 eine Kamera für ein Fahrzeug beschrieben, bei der sich auf einem Schaltungsträger ein Bildsensor befindet, der über Drahtbrücken entlang seines Randes mit Leitbahnen auf dem Schaltungsträger elektrisch verbunden ist. Der Bildsensor ist auf dem Schaltungsträger durch Chipbonden befestigt. Über dieser Anordnung befindet sich ein Objektivhalter mit einem Tubus zur Aufnahme eines Objektivs, wobei sich der Objektivhalter auf dem Schaltungsträger mit Hilfe von Auflagestiften abstützt. Die Ausgabe der Kamerasignale zur Weiterverarbeitung erfolgt über ein flexibles Leitungsband, das mit dem Schaltungsträger elektrisch verbunden ist.
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Eine ähnliche Kameraanordnung geht aus der
WO 2009/118058 A1 hervor, wobei der Schaltungsträger mit Durchkontaktierungen versehen ist, die mit Steckkontakten elektrisch verbunden sind.
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Weiterhin wird in der
EP 2 575 175 A2 ein Bildsensor mit großer Chipfläche beschrieben. Hier ist ein großflächiger Bildsensor auf einem Chipträger montiert, der seinerseits auf einem Schaltungsträger befestigt ist. Die elektrische Verbindung zwischen Bildsensor, Chipträger und Schaltungsträger übernehmen jeweils in Reihen angeordnete Drahtbondpads und Drahtbondverbindungen. Der Bildsensor wird durch eine Glasplatte bzw. einen Filter abgedeckt, der auf einem Rahmen aufliegt, welcher auf dem Schaltungsträger vakuumdicht befestigt ist und den Bildsensor außerhalb der Drahtbondverbindungen umgibt, die den Bildsensor mit dem Schaltungsträger verbinden. Der Rahmen dient als Abstandshalter zwischen dem Chipträger und der Glasplatte, so dass auch ein definierter Abstand zwischen der Oberfläche des Bildsensors und der Glasplatte gegeben ist. Die auf dem Rahmen befestigte Glasplatte dient zugleich dem Schutz des Bildsensors.
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Alternativen zur Verringerung der Gesamthöhe bestehen darin, dass der Bildsensor in einer Vertiefung im Chipträger angeordnet ist, oder dass sich der Chipträger in einer Vertiefung im Schaltungsträger befindet. Als Abdeckung dient in jedem Fall eine Glasplatte oder ein Filter.
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In einer besonderen Variante ist der Chipträger mit einem darin eingelassenen Bildsensor unter dem Schaltungsträger montiert, der seinerseits mit einer Aussparung zur Aufnahme der Glasplatte oder dem Filter versehen ist.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Bildsensoranordnung mit einer optischen Abdeckung zu schaffen, die eine besonders geringe Baugröße und damit geringes Volumen ermöglicht, die eine deutliche Einsparung an Fertigungskosten ermöglicht und die ohne Weiteres für verschiedene Montagetechnologien, wie WLP (Wafer Level Packaging), FlipChip und COB (Chip on Board) einsetzbar ist.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird bei einer Bildsensoranordnung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die optische Abdeckung über der optischen Sensorfläche des Sensorchips angeordnet ist, wobei deren flächenmäßige Abmessungen größer sind, als die Fläche der optischen Sensorfläche und dass die optische Abdeckung mit Hilfe eines Klebstoffrahmens, einen Zwischenraum mit definiertem Abstand zwischen der optischen Sensorfläche und der optischen Abdeckung bildend, auf den Sensorchip geklebt ist, wobei der Klebstoffrahmen um die optische Sensorfläche herum verläuft und zugleich den eingeschlossenen Zwischenraum dicht umgibt und dass der Sensorchip mit der optischen Abdeckung unlösbar verbunden ist.
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Der Klebstoffrahmen besteht bevorzugt aus einem mit Licht- oder thermisch härtbarem Polymermaterial mit entsprechenden Viskositätseigenschaften.
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In einer besonders vorteilhaften Fortbildung der Erfindung bestimmt sich der Abstand zwischen der optischen Sensorfläche und der optischen Abdeckung durch die Menge des Klebstoffs in Klebstoffrahmen, durch dessen Viskosität vor dem Aushärten und durch die Aufsetzkraft mit der die optische Abdeckung aufgesetzt wird. Das bedeutet, dass die optische Abdeckung den Klebstoffrahmen, durch die Kraft, mit welcher die optische Abdeckung auf den Klebstoffrahmen aufgesetzt wird und bedingt durch die Viskositätseigenschaften des Klebstoffes, geringfügig zusammendrückt.
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Im Interesse einer besonders langen Nutzungsdauer der Bildsensoranordnung herrscht im Zwischenraum zwischen der optischen Sensorfläche und der optischen Abdeckung ein Vakuum, oder der Zwischenraum ist mit einem Gas, z.B. Luft, oder einem Inertgas, gefüllt.
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Die optische Abdeckung kann aus Glas mit/oder ohne Oberflächenvergütung, oder aus einem anderen optisch transparenten oder durchsichtigen hinreichend steifen Material, wie Silizium, Germanium oder Keramik, bestehen.
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Weiterhin kann die optische Abdeckung zusätzliche optische Komponenten, wie z.B. ein optisches Gitter, Linien oder Filter, enthalten.
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In einer ersten besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist der Sensorchip mit der über der optischen Sensorfläche montierten optischen Abdeckung auf einem mit Leitbahnen und Kontaktpads versehenen Träger durch Kleben befestigt, wobei die elektrische Verbindung zwischen den Kontaktflächen auf dem Sensorchip und den Kontaktpads durch Drahtbrücken erfolgt.
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In einer Fortführung dieser besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist eine Abdeckung vorgesehen, welche den Sensorchip, die Drahtbrücken und die Kontaktpads auf dem Träger abdeckt, wobei die Abdeckung die Fläche der optischen Abdeckung durch eine Freisparung freihält, wobei die Abdeckung additiv erzeugt wird, oder aus einem vorgefertigten Formteil besteht.
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In einer zweiten besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist der Sensorchip mit der über der optischen Sensorfläche montierten optischen Abdeckung unter dem flexiblen oder starren Träger montiert, und zwar derart, dass die optische Abdeckung sich in einer Öffnung im Träger befindet, bzw. in diese hineinragt, wobei die elektrische und mechanische Verbindung zwischen dem Sensorchip und dem mit Leitbahnen versehenen Träger mit Hilfe von Lotbumps erfolgt.
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In einer dritten besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist der Sensorchip mit der auf der optischen Sensorfläche montierten optischen Abdeckung auf einem Baugruppenträger Kleben befestigt, wobei für die Übertragung der Bildsignale vom Sensorchip zum Baugruppenträger Drahtbrücken vorgesehen sind, die sich von Kontaktflächen auf dem Sensorchip zu den Kontaktpads auf dem Baugruppenträger erstrecken.
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In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung befinden sich auf der optischen Sensorfläche Mikrolinsen.
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Die Vorteile der Erfindung sind darin zu sehen, dass ein definierter Abstand zwischen der optischen Sensorfläche des Bildsensors und der optischen Abdeckung gewährleistet werden kann, wobei der Abstand über die aufgebrachte Klebstoffdicke, dessen Viskosität und die Aufsetzkraft, mit der die optische Abdeckung auf den Klebstoffrahmen aufgesetzt wird, einstellbar bzw. vorgebbar ist.
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Weiterhin lässt sich die erfindungsgemäße Kombination aus Sensorchip mit optischer Sensorfläche und zugehöriger optischer Abdeckung problemlos für unterschiedliche Montagetechnologien, wie WLP, FlipChip oder COB, einsetzen, wobei ein sehr hohes Sauberkeits-Level für die Kombination aus Sensorchip, optischer Sensorfläche, Klebstoffrahmen und optischer Abdeckung gewährleistet werden kann, indem der Zwischenraum zwischen optischer Sensorfläche und optischer Abdeckung evakuiert, oder mit einem Gas, z.B. Luft, oder einem Inertgas, gefüllt werden kann.
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Bei sämtlichen nachfolgenden Montageschritten kann das Sauberkeits-Level reduziert werden, da die empfindliche optische Sensorfläche bereits ausreichend geschützt ist. Dadurch werden auch die Kosten für die aufwändige Rein-Raum-Technik reduziert.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:
- 1 einen Bildsensor mit optischer Abdeckung in Drahtbondtechnologie;
- 2: einen Bildsensor mit optischer Abdeckung in FlipChip- Technologie; und
- 3: einen Bildsensor mit optischer Abdeckung als „nackt Chip“ im COB-Aufbau.
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1 zeigt eine Bildsensoranordnung mit einem Sensorchip 1, der auf einem Träger 2 montiert ist. Der Sensorchip 1 ist beispielsweise mittels eines Klebstoffes 3 auf dem Träger 2 befestigt. Der Träger 2 kann eine PCB (printed circuit board, gedruckte Leiterplatte) sein, oder kann aus Glas, Keramik, Metall, Silizium bestehen und mit Leitbahnen und Kontaktpads 4 versehen sein. Der Sensorchip 1 ist üblicherweise mit an dessen Rand befindlichen Kontaktflächen 5 versehen, die in mindestens einer Reihe angeordnet sind und wobei die Kontaktflächen 5 und die Kontaktpads 4 mit Hilfe von Drahtbrücken 6 miteinander verbunden sind. Die Kontaktflächen 5, die Kontaktpads 4 und die Drahtbrücken 6 können aus Gold, Kupfer, Aluminium und anderen geeigneten leitfähigen Materialien bestehen. Damit können die vom Sensorchip 1 erzeugten Sensor- oder Bildsignale an eine externe Schaltung auf dem Träger 2 zur Weiterverarbeitung weitergeleitet werden.
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Der Sensorchip 1 enthält eine optische Sensorfläche 8, die zum Schutz vor Umwelteinflüssen, wie Feuchtigkeit, Licht usw. und im Interesse einer langen Nutzungsdauer mit einer optischen Abdeckung 7 versehen ist. Die flächenmäßige Abmessungen der optischen Abdeckung 7 sind größer, als die auf dem Sensorchip 1 ausgebildete optische Sensorfläche 8. Die optische Abdeckung 7 kann aus Glas mit / oder ohne Oberflächenvergütung bestehen, oder auch aus sonstigen optisch transparenten Materialien, wie Silizium, Germanium oder auch Keramik gefertigt werden. Weiterhin kann die optische Abdeckung 7 zusätzliche optische Komponenten, wie z.B. ein optisches Gitter, Linien oder Filter, enthalten. Darüber hinaus, können sich auf der optischen Sensorfläche 8 auch nicht dargestellte Mikrolinsen befinden.
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Um eine dauerhafte Verbindung zwischen dem Sensorchips 1 und der optischen Abdeckung 7 zu gewährleisten, befindet sich zwischen der optischen Abdeckung 7 und dem Sensorchip 1 ein Klebstoffrahmen 9, der die optische Sensorfläche 8 mit hinreichendem Abstand umgibt. Der Klebstoffrahmen 9 befindet sich somit außerhalb der optischen Sensorfläche 8, so dass die optischen Eigenschaften des Sensorchips 1 nicht beeinflusst werden. Alternativ kann der Klebstoffrahmen 9 auch am Rand der optischen Abdeckung 7 aufgebracht werden. Der Klebstoffrahmen 9 besteht aus einem mit Licht oder thermisch härtbarem Polymermaterial mit entsprechenden Viskositätseigenschaften.
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Der Klebstoffrahmen 9 erfüllt einerseits die Aufgabe einer sicheren Befestigung der optischen Abdeckung 7 auf dem Sensorchip 1 und hat gleichzeitig die Funktion eines Abstandshalters. Um das zu erreichen, muss der Klebstoffrahmen 9 mit einer Dispenstechnologie oder einer Schichterzeugungs- und Strukturierungstechnologie im Wafer-Level auf dem Sensorchip 1 oder auf der optischen Abdeckung 7 erzeugt werden. Damit ist es möglich, den Abstand zwischen der optischen Abdeckung 7 durch die Dicke/Höhe des Klebstoffrahmens 9 vorzugeben/einzustellen.
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Der Klebstoffrahmen 9 umschließt nach dem Aufsetzen der optischen Abdeckung 7 einen Zwischenraum 10 zwischen der Sensorfläche 8 und der optischen Abdeckung 7 vakuumdicht, so dass der Zwischenraum 10 und insbesondere die optische Sensorfläche 8 vor Umwelteinflüssen geschützt ist. Dieser Zwischenraum 10 kann zusätzlich evakuiert sein, also ein Vakuum und ggf. ein Sikkativ zur dauerhaften Trocknung enthalten, oder alternativ mit einem Gas, z.B. Luft, oder einem Inertgas, gefüllt sein.
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Der Klebstoffrahmen 9 gewährleistet einen definierten Abstand zwischen der optischen Sensorfläche 8 und der optischen Abdeckung 7. Außerdem schafft der Klebstoffrahmen 9 eine unlösbare Verbindung zwischen dem Sensorchip 1 und der optischen Abdeckung 7.
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Eine zusätzliche Abdeckung 11, welche die frei liegenden Flächen des Sensorchips 1 außerhalb der optischen Abdeckung 7, die Drahtbrücken 6 und die Kontaktpads 4 auf dem Träger 2, abdeckt, ist vorgesehen, um auch diese Bereiche sicher gegen Umwelteinflüsse, wie Feuchtigkeit, Licht usw., zu schützen.
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Die Abdeckung 11 muss natürlich mit einer Freisparung 12 oder Aussparung versehen sein, welche eine Fläche für die optische Abdeckung 7 freihält, so dass die optische Sensorfläche 8 des Sensorchips 1 an ein Linsensystem angekoppelt werden kann. Die Abdeckung 11 kann am Aufbau additiv erzeugt werden, z.B. durch Gießen, 3-D-Druck, oder es kann auch ein Formteil zum Einsatz kommen. Im letzteren Fall muss allerdings darauf geachtet werden, dass unterhalb der Abdeckung 11 hinreichend Freiräume für die Drahtbrücken 6 freigehalten werden.
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Als Material für die Abdeckung 11 kommt typischer Weise ein Polymer in Betracht, was additiv aufgebracht werden kann. In diesem Fall werden die Drahtbrücken 6 im Polymer eingebettet und sind auf diese Weise gegen mechanische Belastungen besonders geschützt.
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Wenn die Abdeckung 11 als Formteil ausgebildet sein soll, kann diese auch aus einem Metall, einer Keramik oder ähnlichen Werkstoffen bestehen. Die Höhe der Abdeckung 11 und ggf. ein Höhenprofil derselben kann den jeweiligen Anforderungen angepasst werden, so dass weitere optische Komponenten, wie Linsensysteme/Objektive über der optischen Abdeckung 7 angeordnet, oder an diese angekoppelt werden können.
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2 zeigt ebenfalls eine Bildsensoranordnung mit einen Sensorchip 1, der mit der optischen Abdeckung 7 über der optischen Sensorfläche 8 mit Hilfe des Klebstoffrahmens 9 versehen ist und der im Sinne der FlipChip- Technologie unter dem flexiblen oder starren Träger 2 montiert ist, und zwar derart, dass die optische Abdeckung 7 sich in einer Öffnung 13 im Träger 2 befindet, bzw. in diese hineinragt. Unter Öffnung 13 soll eine Aussparung verstanden werden, deren Umfang dem Außenumfang der optischen Abdeckung 7 entspricht. Die elektrische und mechanische Verbindung zwischen dem Sensorchip 1 und dem mit Leitbahnen versehenen Träger 2 erfolgt mit Hilfe von Lotbumps 14, beispielsweise in Form eines BGA (Ball Grid Array). Eine gesonderte Abdeckung 11 wie in der Ausführung nach 1 kann hier entfallen. Durch einen Underfill zwischen Träger 2 und Sensorchip 1 kann die mechanische Festigkeit des Aufbaus erhöht werden.
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Der Träger 2 erfüllt hier die Aufgabe der Abdeckung 11 nach 1.
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3 zeigt eine Bildsensoranordnung, bestehend aus dem Sensorchip 1 mit der über der optischen Sensorfläche 8 befindlichen optischen Abdeckung 7, die mit dem Klebstoffrahmen 9 auf den Sensorchip 1 geklebt ist und die als „nackt Chip“ ohne Abdeckung 11 in einem COB-Aufbau auf einem Baugruppenträger 15 angeordnet ist. Der Sensorchip 1 ist hier auf dem Baugruppenträger 15 durch Kleben mit dem Klebstoff 3 befestigt. Für die Übertragung der Bildsignale vom Sensorchip 1 zum Baugruppenträger 15 sind Drahtbrücken 6 vorgesehen, die sich von Kontaktflächen 5 auf dem Sensorchip 1 zu den Kontaktpads 17 auf dem Baugruppenträger 15 erstrecken.
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Auf Einzelheiten betreffend die Herstellung von Drahtbrücken soll hier nicht weiter eingegangen werden, weil diese einem einschlägigen Fachmann hinreichend bekannt sind.
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Auf dem Baugruppenträger 15 befinden sich weitere SMD-Komponenten 16 zur Verarbeitung und Zwischenspeicherung von Bildsignalen oder sonstiger Signale des Sensorchips 1.
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Es versteht sich, dass auch bei dieser Bildsensoranordnung eine zusätzliche Abdeckung 11 wie zu 1 beschrieben, aufgebracht werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Sensorchip
- 2
- Träger
- 3
- Klebstoff
- 4
- Kontaktpad auf Träger
- 5
- Kontaktfläche auf Sensorchip
- 6
- Drahtbrücke
- 7
- optische Abdeckung
- 8
- optische Sensorfläche
- 9
- Klebstoffrahmen
- 10
- Zwischenraum
- 11
- Abdeckung
- 12
- Freisparung
- 13
- Öffnung
- 14
- Lotbump
- 15
- Baugruppenträger
- 16
- SMD-Komponenten
- 17
- Kontaktpad auf Baugruppenträger
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014211879 A1 [0003]
- WO 2009/118058 A1 [0004]
- EP 2575175 A2 [0005]
