KR20140083993A - 플립-칩 본딩된 이미저 다이 - Google Patents

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KR20140083993A
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티머시 패트릭 패터슨
팀 모란
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아이엠아이 유에스에이, 인코포레이션
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Abstract

이미지 센서는 이미저 다이(imager die), 회로 기판(circuit board) 및 광학층(optical layer)을 포함한다. 회로 기판은 이미저 다이에 플립-칩 본딩된(flip-chip bonded)다. 광학층은 회로 기판에 부착되며, 제 2 부분과 다르게 광을 굴절시키도록 형성된 제 1 부분을 포함한다. 제 1 부분 및 제 2 부분 둘 다는 광학층과 일체형으로 형성된다.

Description

플립-칩 본딩된 이미저 다이{FLIP-CHIP BONDED IMAGER DIE}
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2011년 8월 19일에 출원한, 미국 가출원 번호 61/525,372의 우선권을 주장하며, 상기 출원의 전체 공개내용이 여기에서 참조로 통합된다.
이미지 센서(Image sensors)는 디지털 신호로 광 이미지(optical images)를 변환하는 전자 기기이며, 대체로 디지털 카메라로 이용된다.
일반적으로, 몇몇 이미지 센서는 광을 캡쳐하며 표시 신호(representative signal)를 출력하는 광 검출기(photodetectors)의 어레이(array)를 포함한다. 몇몇 종류의 이미지 센서는 전하 결합 소자(charge coupled device; CCD) 센서 및 상보형 금속 산화 반도체(complementary metal-oxide-semiconductor, CMOS) 센서를 포함한다.
도 1은 본 이미지 센서의 단면도를 나타낸다.
도 2는 도 1의 이미지 센서에서 이용될 수 있는 이미저 다이를 나타낸다.
도 3은 도 1의 이미지 센서에서 이용될 수 있는 회로 기판(circuit board)을 나타낸다.
도 4는 다른 이미지 센서의 단면도를 나타낸다.
도 5는 이미지 센서의 다양한 구성요소의 가능한 크기를 나타낸다.
이미지 센서는 이미저 다이(imager die), 회로 기판 및 광학층을 포함한다. 회로 기판은 이미저 다이에 플립-칩 본딩된(flip-chip bonded)다. 광학층은 회로 기판에 부착되며, 제 2 부분과 다르게 광을 굴절시키도록 형성된 제 1 부분을 가진다. 제 1 부분 및 제 2 부분 둘 다는 광학층과 일체형으로 형성된다. 가능한 실행에 있어서, 이미지 센서는 회로 기판 사이 및 광학층에 배치된 보강재(stiffener)를 더 포함할 수 있다. 어떠한 예에서, 회로 기판은 연성 소재(flexible material)로부터 형성될 수 있으며 플립-칩 본딩 공정 동안 이미저 다이의 접찹 패드에 결합하도록 형성된 복수의 범프(bumps)를 포함한다.
도 1은 본 이미지 센서(100)을 나타낸다. 이미지 센서(100)은 많은 다른 형상일 수 있으며, 다양한 및/또는 교대 구성요소 및 시설을 포함할 수 있다. 이미지 센서(100)를 도 1에 나타내는 동안, 도면에 나타낸 구성요소는 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 실제로, 추가 또는 대안의 구성요소 및/또는 실행이 이용될 수 있다. 도면이 다양한 예를 나타낼지라도, 도면은 스케일(scale)을 필요로하지 않으며, 특정 특징은 예의 획기적인 측면을 우수하게 표현 및 설명하도록 과장될 수 있다.
도 1에 나타낸대로, 이미지 센서(100)는 이미저 다이(105), 회로 기판(110), 광학층(115), 적어도 하나의 점착층(adhesive layer, 120), 광학 렌즈(125) 및 히트 싱크(heat sink, 130)을 포함한다.
이미저 다이(105)는 반도체 물질로부터 형성된 직접 회로 다이(integrated circuit) 및 조립 회로(fabricated circuit)를 포함할 수 있다. 한 접근에서, 이미저 다이(105)는 상보형 금속 산화 반도체(complementary metal-oxide-semiconductor, CMOS) 활성 픽셀 센서의 형상일 수 있다. 이미저 다이(105)의 예는 도 2를 참조하여 아래에서 논의된다.
이미저 다이(105)에 플립-칩 본딩될 수 있는 회로 기판(110)은 칩(chips), 레지스터(resistors), 커패시터(capacitors) 등과 같은 다양한 타입의 표면 실장 기술을 지지하도록 형성된 인쇄 회로 기판(110)을 포함할 수 있다. 회로 기판(110)은 다수의 구성요소를 결합하는 트레이스(traces)라 불리는 도전성 경로(conductive pathways)를 더 포함할 수 있다. 회로 기판(110)은 이미저 다이(105)로 광이 통과하는 것을 허용하는 개구부를 형성한다. 가능한 한 접근에서, 회로 기판(110)은 연성 소재로부터 형성되며, 약 0.5~2밀리리터의 두께를 가진다. 표준 회로 기판(110)은 도 3을 참조하여 아래에서 더 자세히 논의될 것이다.
광학층(115)은 회로 기판(110)에 부착될 수 있다. 가능한 한 실행에서, 광학층(115)은 유리, 투명 세라믹 또는 플라스틱 또는 일반적으로 가시광으로 투명한 다른 물질을 포함할 수 있다. 광학층(115)은 각각 다른 광을 굴절시키도록 형성된 제 1 부분(135) 및 제 2 부분(140)을 가진다. 제 1 부분(135) 및 제 2 부분(140) 둘 다는 광착층(115)과 일체형으로 형성될 수 있다. 나타낸대로, 제 1 부분(135)은 광학적으로 이미저 다이와 일렬에 있다. 제 1 부분(135)은 이미저 다이(105)에 직사광(direct light)으로 형성된 일체형으로 형성된 렌즈를 형성할 수 있다. 제 1 부분(135)은 특정 특성(예를 들어, 파장 등)을 가지는 광만 허용하기 위하여 필터를 더 포함할 수 있거나 형성할 수 있다. 필터는 제 1 부분(135) 및 이미저 다이(105) 사이의 광 경로를 따라 제 1 부분(135)에 배치될 수 있거나, 대안적으로 제 1 부분(135)은 광의 특정 파장을 투과할 수 있는 물질로부터 형성할 수 있다.
점착층(120)은 서로에 이미지 센서(100)의 다양한 구성요소를 부착하기 위해 이용될 수 있다. 나타낸대로, 제 1 점착층(120)은 광학층(115) 및 특히 적어도 광학층(115)의 제 2 부분(140)에 회로 기판(110)을 부착시키기 위해 이용될 수 있다. 다른 점착층(120)은 회로 기판(110)에 이미저 다이(105)의 부착을 더 돕기 위하여 이용될 수 있다.
일체형으로 형성된 렌즈(145)와 다른 광학 렌즈(125)는 광학층(115)에 배치될 수 있다. 나타낸대로, 광학 렌즈(125)는 일체형으로 형성된 렌즈(145)와 광학적으로 일렬이며, 광학층(115)의 제 1 부분(135)를 통하여 이미저 다이(105) 쪽으로 가시광을 유도하도록 형성된다. 가능한 한 실행에서, 광학 렌즈(125)는 예를 들어 6-축 또는 정확한 특징의 배향 공정(alignment process)을 이용하여 자외선 경화 결합(ultraviolet cure bond)을 통해 광학층(115)에 배치된다.
히트 싱크(130)는 이미저 다이(105)에 배치될 수 있으며, 이미지 센서(100)의 작동 동안 발생된 열을 분산하기 위해 형성된 장치를 포함한다. 가능한 한 접근에서, 히트 싱크(130)는 이미저 다이(105)에 의해 발생된 열을 배출하는 복수의 핀(fins)을 포함할 수 있다. 기류(Airflow)는 핀을 통하여 이미지 센서(100)로부터 열을 제거한다. 대안적으로, 나타낸대로, 히트 싱크(130)는 보빈형 구조(bobbin-like configuration)를 가질 수 있다. 특히, 히트 싱크(130)는 일반적으로 서로에 적층된 원형 단면을 가질 수 있고, 각각의 단면은 인접한 단면과 다른 직경을 가진다. 가능한 한 실행에서, 히트 싱크(130)는 이미지 센서(100)에 따라 이용된 이미저 다이(105) 또는 다른 구성요소에 의해 발생된 열의 분산을 돕기 위하여 열 도전성 액체 또는 겔을 포함할 수 있다. 열 도전성 액체의 예는 클로로플루오로카본(chlorofluorocarbon)을 포함할 수 있다.
도 2는 이미저 다이(105)의 특징 및 구성요소를 나타낸다. 나타낸대로, 이미저 다이(105)는 지지 기판(support substrate, 205), 복수의 광 검출기(215)를 가지는 광 검출기 어레이(210) 및 다수의 본딩 패드(bonding pads, 220)을 포함한다. 이미저 다이(105)는 도 2에 나타내지 않은 다른 구성 요소를 포함할 수 있다.
광 검출기 어레이(210)는 지지 기판(205)에 배치된다. 광 검출기 어레이(210)은 행렬형으로 배치된 복수의 광 검출기(215) 및 컬럼(columns)을 포함한다. 각각의 광 검출기(215)는 수용되는 광과 일치하는 전기 신호를 발생시키기 위해 형성된다. 나타내지 않았을지라도, 증폭기(amplifiers), 레지스터 등과 같은 다른 전자 부품은 광검출기 어레이(210)와 결합하여 이용될 수 있다.
본딩 패드(220)은 예를 들어 알루미늄, 금, 땜납, 은, 에폭시 또는 이방 전도성 필름(anisotropic conductive film)으로부터 형성될 수 있으며 회로 기판(110)에 이미저 다이(105)를 결합하기 위해 이용된 플립-칩 본딩 공정을 도울 수 있다. 본딩 패드(220)는 예를 들어 열초음파 결합 공정 또는 솔더링(soldering) 공정을 통하여 회로 기판(110)의 대응하는 단면에 부착하기 위해 형성될 수 있다.
도 3은 회로 기판(110)의 특징 및 구성요소를 나타낸다. 가능한 한 접근에서, 회로 기판(110)은 연성 소재로부터 형성될 수 있고, 이미저 다이(105)보다 큰 적어도 하나의 크기를 가진다. 예를 들어, 회로 기판(110) 및 이미저 다이(105)는 대체로 동일한 폭을 가질 수 있으나 회로 기판(110)은 긴 길이를 가질 수 있다. 도 3에 나타낸대로 회로 기판(110)은 복수의 범프(305), 어퍼쳐(aperture, 310) 및 표면 실장 기술 요소(315)를 포함한다.
범프(305)는 회로판(110) 및 이미저 다이(105) 사이의 플립-칩 본딩을 돕기 위해 형성된 물질로부터 형성될 수 있다. 예를 들어, 범프(305)는 금, 은, 땜납, 에폭시 또는 이방 전도성 필름(anisotropic conductive film)과 같은 다양한 물질로부터 형성될 수 있다. 범프(305)는 플립-칩 본딩 공정 동안 이미저 다이(105)의 본딩 패드(220)과 일렬로 형성될 수 있다. 범프(305)는 열초음파 결합 또는 솔더링 공정을 따라 본딩 패드(220)에 결합될 수 있다. 결합되면, 범프(305)는 이미저 다이(105) 및 회로 기판(110) 사이에 전기적 결합을 제공한다. 트레이스(미도시된)는 회로 기판(110)로 이미저 다이(105)에서 표면 실장 기술 요소까지 이동시키기 위하여 전기 신호를 허용할 수 있다.
회로 기판(110)에 의해 형성된 어퍼쳐(aperture, 310)는 이미저 다이(105) 및 특히 광 검출기 어레이(210)으로 광의 통과를 허용할 수 있다. 어퍼쳐(aperture, 310)는 위에 논의된대로 일체형으로 형성된 렌즈(145) 및 광학 렌즈(125)를 형성하는, 광학층(115)의 제 1 부분(135)과 광학적으로 일렬로 있다.
도 4는 다른 이미지 센서(100)의 단면도를 나타낸다. 도 4의 이미지 센서(100)에서, 보강재(stiffener, 405)는 회로 기판(110) 및 광학층(115)에 부착된다. 보강재(405)는 이미지 센서(100)로 구조적 지지부를 제공하기 위해 형성될 수 있다. 가능한 한 접근에서, 보강재(405)는 금속, FR- 등급 유리-강화된 에폭시 라미네이트 시트 또는 적어도 회로 기판(110)의 부분을 구조적으로 지지하도록 형성된 다른 물질로부터 형성될 수 있다. 도 4에 나타내지 않았음에도, 점착층(120)(도 1에 도시)은 보강재(405) 및 회로 기판(110) 사이에 배치될 수 있다. 보강재(405)는 광학층(115)에서 이미저 다이(105)까지의 광 경로와 광학적으로 일렬인 개구부(opening, 410)를 형성한다. 이 방식으로, 보강재(405)는 이미저 회로의 광 검출기 배열(210)로 광학층(115)의 일체형으로 형성된 렌즈(145)를 포함하는 제 1 부분(135)에서 광의 통과를 허용한다. 도 5는 이미지 센서(100)의 몇몇 구성요소의 표준 두께를 나타내는 단면도이다. 도 5에 나타낸 크기는 오직 예시이다. 나타낸대로, 나타낸대로, 광학층(115)은 약 16밀리리터의 두께를 가질 수 있고, 이미저 다이(105)는 약 8밀리리터의 두께를 가질 수 있다. 두 개의 점착층(120)은 각각 약 0.5~2밀리리터의 두께를 가질 수 있다. 마찬가지로, 회로 기판(110)은 약 0.5~2밀리리터의 두께를 가질 수 있다. 결합층은 약 0.2~2밀리리터의 두께를 가질 수 있다. 플립-칩 본딩 공정 전, 각각의 범프(305)는 약 0.5~2밀리리터의 두께를 가질 수 있다. 또한 범프(305)는 1.5~6밀리리터로 넓을 수 있다.
일반적으로, 이미지 센서는 일반적으로 컴퓨터에서 실행가능한 명령을 포함하는 컴퓨터 시스템 및/또는 장치를 포함할 수 있으며, 명령은 위에 나타낸 것과 같이 하나 이상의 컴퓨터 장치에 의해 실행 가능할 수 있다. 컴퓨터에서 실행가능한 명령은 제한 없이 단독 또는 JavaTM, C, C++, Visual Basic, Java Script, Perl 등과 결합하거나 둘중 하나를 포함하는 다양한 프로그래밍 언어 및/또는 기술을 이용하여 형성된 컴퓨터 프로그램으로부터 컴파일(compiled)되거나, 이해될 수 있다.
일반적으로, 프로세서(예를 들어, 마이크로프로세서)는 예를 들어 메모리, 컴퓨터에서 판독 가능한 매체 등으로부터 명령을 수신하며, 이러한 명령을 수행하고, 이로인하여 여기에 기술된 하나 이상의 공정을 포함하는 하나 이상의 공정을 수행한다. 이러한 명령 및 다른 데이터는 컴퓨터에서 판독가능한 다양한 미디어를 이용하여 저장될 수 있으며 전달 될 수 있다.
컴퓨터에서 판독가능한 매체(또한 프로세서에서 판독가능한 매체라 불리는)는 (예를 들어, 컴퓨터의 프로세서에 의해)컴퓨터로 판독될 수 있는 데이터 제공에 관여하는 비일시적인(non-transitory)(예를 들어, 유형(tangible))매체를 포함한다. 이러한 매체는 제한 없이 비휘발성 매체 및 휘발성 매체를 포함하는 다양한 형상일 수 있다. 비휘발성 매체는 예를 들어 광 디스크 또는 자기 디스크(magnetic disk) 및 다른 지속성 메모리(persistent memory)를 포함할 수 있다. 휘발성 매체는 예를 들어 일반적으로 주요 메모리를 형성하는 동적 랜덤 엑세스 메모리(dynamic random access memory; DRAM)를 포함할 수 있다. 이러한 명령은 컴퓨터의 프로세서에 결합된 시스템 버스를 포함하는 와이어를 포함하는 동축 케이블(coaxial cables), 구리 와이어 및 광섬유(fiber optics)를 포함하는 하나 이상의 전송 매체에 의해 전달 될 수 있다. 컴퓨터에서 판독가능한 매체의 일반적인 형상은 예를 들어 플로피 디스크(floppy disk), 유연 디스크(flexible disk), 하드 디스크(hard disk), 자기 테이프(magnetic tape), 다른 자기 매체, CD-ROM, DVD, 다른 광학 매체, 펀치 카드(punch cards), 종이 테이프, 홀의 패턴을 가지는 다른 물리적 매체, RAM, PROM, EPROM, FLASH-EEPROM, 다른 메모리 칩 또는 카트리지(cartridge), 또는 컴퓨터가 판독할 수 있는 다른 매체를 포함한다.
여기에 기술된 공정, 시스템, 방법, 휴리스틱(heuristic) 등에 대하여, 이러한 공정 등의 단계가 순서화된 시퀀스에 따라 발생하는대로 기술됨에도 불구하고, 이러한 공정은 여기에 기술된 순서와 다른 서로 수행되는 기술된 단계로 숙련될 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 특정 단계는 수행될 수 있고, 동시에 다른 단계가 추가될 수 있거나 여기에 기술된 특정 단계가 생략될 수 있다. 즉, 공정의 설명은 특정 구체예를 설명하는 목적으로 여기에 제공되며, 청구항을 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다.
따라서, 위의 설명은 설명을 목적으로 하며 제한하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 제공된 예를 제외한 많은 구체예 및 적용은 위의 설명을 해석하여 명백해질 것이다. 범위는 위의 설명을 참조하지 않고 결정되어야 하지만 대신에 청구항이 권리를 가지는 등가물의 완전한 범위에 따라 첨부된 청구항을 참조하여 결정되어야 한다. 추가 전개는 여기에 논의된 기술로 발생할 것이며, 개시된 시스템 및 방법은 차후의 구체예로 통합되는 것으로 예상되며 의도된다. 요컨대, 본 출원은 수정 및 변형이 가능한 것으로 이해되어야 한다.
청구항에 이용된 모든 용어는 여기에 형성된 것과 정반대로 명백한 지시를 제외하고 여기에 기술된 기술로 잘 알려져 이해되는 대로 광범위하게 이상적인 구조 및 일상적 의미를 나타내는 것으로 의도된다. 특히, "a", "the", "said" 등과 같은 단수 용어의 이용은 정반대로 명백한 제한을 나타내는 청구항을 제외하고 하나 이상의 지시된 요소를 나타내는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (20)

  1. 이미지 센서로서,
    이미저 다이(imager die);
    상기 이미저 다이에 플립-칩 본딩된(flip-chip bonded) 회로 기판(circuit board); 및
    상기 회로 기판에 부착되며 제 2 부분과 다르게 광을 굴절시키도록 형성된 제 1 부분을 가지는 광학층을 포함하며,
    상기 제 1 부분 및 상기 제 2 부분 둘다 상기 광학층(optical layer)과 일체형으로 형성되는, 이미지 센서.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 부분은 상기 이미저 다이와 광학적으로 일렬인, 이미지 센서.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 광학층에 배치되며 광학적으로 상기 제 1 부분과 일렬인 렌즈(lens)를 더 포함하는, 이미지 센서.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 렌즈는 자외선 경화 결합(ultraviolet cure bond)을 통하여 상기 광학층에 배치되는, 이미지 센서.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 회로 기판 위의 상기 광학층 사이에 배치된 점착층을 더 포함하는, 이미지 센서.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 이미저 다이에 배치된 히트 싱크(heat sink)를 더 포함하는, 이미지 센서.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 회로 기판은 연성 회로 기판(flexible circuit board)을 포함하는, 이미지 센서.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 회로 기판은 약 0.5~2밀리리터의 두께를 가지는, 이미지 센서.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 회로 기판은 약 0.2~2밀리리터의 두께를 가지는 트레이스(trace)를 포함하는, 이미지 센서.
  10. 이미지 센서로서,
    이미저 다이;
    상기 이미저 다이에 플립-칩 본딩된(flip-chip bonded) 회로 기판;
    상기 회로 기판에 부착된 보강재(stiffener); 및
    상기 보강재에 부착되며 제 2 부분과 다르게 광을 굴절시키도록 형성된 제 1 부분을 가지는 광학층을 포함하며,
    상기 제 1 부분 및 상기 제 2 부분 둘 다 상기 광학층과 일체형으로 형성되는, 이미지 센서.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 보강재는 상기 광학층의 상기 제 1 부분에서 상기 이미저 다이로 광이 통과하도록 형성된 개구부를 형성하는, 이미지 센서.
  12. 제 10항에 있어서,
    상기 광학층에 배치되며 상기 제 1 부분과 광학적으로 일렬인 렌즈를 더 포함하는, 이미지 센서.
  13. 제 10항에 있어서,
    상기 회로 기판은 연성 회로 기판을 포함하는, 이미지 센서.
  14. 제 10항에 있어서,
    상기 보강재는 금속 또는 FR-4 등급 유리 강화된 에폭시 라미네이트 시트(FR-4 grade glass-reinforced epoxy laminate sheet)로부터 적어도 부분적으로 형성되는, 이미지 센서.
  15. 이미지 센서로서,
    본딩 패드를 가지는 이미저 다이;
    상기 이미저 다이에 플립-칩 본딩된(flip-chip bonded) 연성 회로 기판; 및
    상기 연성 회로 기판에 부착되며 제 2 부분과 다르게 광을 굴절시키도록 형성된 제 1 부분을 가지는 광학층을 포함하며,
    상기 연성 회로 기판은 상기 이미저 다이의 본딩 패드에 결합된 복수의 범프(bumps)를 포함하며,
    상기 제 1 부분 및 상기 제 2 부분은 상기 광학층과 일체형으로 형성되는, 이미지 센서.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 본딩 패드는 알루미늄, 금, 땜납, 은, 에폭시 또는 이방 전도성 필름(anisotropic conductive film)을 포함하는, 이미지 센서.
  17. 제 15항에 있어서,
    상기 복수의 범프는 알루미늄, 금, 땜납, 은, 에폭시 또는 이방 전도성 필름(anisotropic conductive film)을 포함하는, 이미지 센서.
  18. 제 15항에 있어서,
    상기 광학층에 배치되며 상기 제 1부분과 광학적으로 일렬인 렌즈를 더 포함하는, 이미지 센서.
  19. 제 15항에 있어서,
    상기 이미저 다이에 배치된 히트 싱크를 더 포함하는, 이미지 센서.
  20. 제 15항에 있어서,
    상기 광학층은 유리, 투명 세라믹 또는 플라스틱을 포함하는, 이미지 센서.
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