TW202320316A - 堆疊式影像感測器 - Google Patents

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Abstract

一種堆疊式影像感測器，包括一信號處理電路系統層、一像素陣列基板、一熱輸送層和一熱導孔。信號處理電路系統層包括暴露在信號處理電路系統層之一電路系統層底表面上的一導電焊墊。像素陣列基板包括一像素陣列，並設置在信號處理電路系統層之一電路系統層頂表面上。電路系統層頂表面位於電路系統層底表面與像素陣列基板之間。熱輸送層位於信號處理電路系統層與像素陣列基板之間。熱導孔將熱輸送層熱耦合到導電焊墊。

Description

堆疊式影像感測器
本發明涉及影像感測器、堆疊式影像感測器，並且具體地，涉及改正由影像感測器下方產生的熱量引起的影像偽影。
諸如獨立數位相機、行動設備、汽車部件和醫療設備等消費者設備中的相機模組包括影像感測器及影像感測器的像素陣列。影像感測器包括像素陣列，以將由相機透鏡成像在其上的光轉換成數位信號，而該數位信號被轉換成一顯示影像及/或包含此影像資料的檔案。一些被稱為堆疊式晶片影像感測器的影像感測器包括位於影像感測器下方的邏輯晶片，本文也稱為影像感測器晶片。邏輯晶片包括類比數位轉換電路系統和影像信號處理（ISP）電路系統。邏輯晶片的示例包括ASIC和影像信號處理器。ISP的可能功能包括影像處理、視頻處理和資料流以及高速資料傳送。
當操作時，邏輯晶片產生熱量，該熱量傳播到影像感測器晶片之一個或多個區域，這增加了這些區域中的像素中的暗電流，並導致被稱為暗影像不均勻性的影像偽影。一種用於減少暗影像不均勻性的方法是在不使用時使像素電路系統電力關閉，但是這種方案對感測器定時設置了限制，這使得影像感測器對於某些成像情景例如閒置時間相對稀少的汽車應用不相容。用於減少暗影像不均勻性之一種不同方法是增加晶片上的邏輯晶片之元件的高功率和因此發熱的空間均勻性。這種方法的缺點是，由於電壓源與元件之間的電阻，離電壓源較遠定位的元件接收到較低的電壓。
在第一觀點之中，一種堆疊式影像感測器包括一信號處理電路系統層、一像素陣列基板、一熱輸送層和一熱導孔。信號處理電路系統層包括暴露在信號處理電路系統層之一電路系統層底表面上的一導電焊墊。像素陣列基板包括一像素陣列，並設置在信號處理電路系統層之一電路系統層頂表面上。電路系統層頂表面位於電路系統層底表面與像素陣列基板之間。熱輸送層位於信號處理電路系統層與像素陣列基板之間。熱導孔將熱輸送層熱耦合到導電焊墊。
在第二觀點之中，一種堆疊式影像感測器包括一散熱層、設置在散熱層上的一信號處理電路系統層、一像素陣列基板、一熱輸送層和一熱導孔。像素陣列基板包括一像素陣列並設置在信號處理電路系統層上。熱輸送層位於信號處理電路系統層與像素陣列基板之間。熱導孔將熱輸送層熱耦合到散熱層。
本說明書中提到的“一個示例”或“一個實施例”意味著結合該示例描述的特定特徵、結構或特性包括在本發明的至少一個示例中。因此，短語“在一個示例中”或“在一個實施例中”在本說明書各處的出現不一定都指同一示例。此外，在一個或多個示例中，特定的特徵、結構或特性可以以任何合適的方式組合。
為了便於描述，本文中可以使用空間上相對的術語，例如“下方”、“之下”、“下”、“下面”、“上方”、“上”等，來描述如附圖中所示的一個元件或特徵與另外的（一個或多個）元件或特徵的關係。應當理解，除了附圖中描繪的朝向之外，空間相對術語旨在包括使用或操作中裝置的不同朝向。例如，如果附圖中的裝置被翻轉，那麼被描述為在其他元件或特徵“之下”或“下方”或“下面”的元件將被定向在其他元件或特徵的“上方”。因此，術語“之下”和“下面”可以包含上方和下方兩個朝向。該裝置可以以其他方式定向（旋轉90度或以其他朝向），並且在本文中使用的空間相對描述語被相應地解釋。此外，還應當理解，當一個層被稱為在兩個層“之間”時，它可以是兩個層之間的唯一層，或者也可以存在一個或多個中間層。
術語半導體基板可以指使用諸如矽、矽-鍺、鍺、砷化鎵及其組合的半導體形成的基板和本領域技術人員已知的其他半導體材料形成的基板。術語半導體基板也可以指由一種或多種半導體形成的基板，其經歷了在基板中形成區域及/或接面（junctions）的先前製程步驟。半導體基板還可以包括各種特徵，例如摻雜和未摻雜的半導體、矽磊晶層以及形成在基板上的其他半導體結構。應當注意，在本文中，元素名稱和符號可以互換使用（例如，Si與矽）；然而，兩者具有完全相同的含義。
圖1描繪了對場景成像的相機195。相機195包括一影像感測器192，影像感測器192包括一像素陣列基板190。像素陣列基板190之組成元素可包括矽和鍺中的至少一種。像素陣列基板190包括一像素陣列112A。影像感測器192可以是晶片級封裝或板上晶片封裝之一部分。相機195被示為手持裝置之一部件，但是應當理解，在不脫離本發明的範圍的情況下，諸如安全裝置、汽車相機、無人機相機等其他裝置可以利用相機195。
圖2是堆疊式晶片影像感測器200之一示意圖，其包括一邏輯晶片220和在邏輯晶片220上方對準的一感測器晶片280。堆疊式晶片影像感測器200是影像感測器192之一示例。感測器晶片280包括由像素112的陣列形成的像素陣列112A。在操作中，邏輯晶片產生一高溫區域222，以將熱量傳遞到感測器晶片280之一受熱區域282。位於受熱區域282中的像素112比該區域之外側的像素112表現出更高的暗電流。成像區域（例如，區域282）中增加的暗電流在像素陣列222上造成暗電流不均勻性，並導致影像偽影。
邏輯晶片220和感測器晶片280係位於平行於圖2所圖示的x-y平面的相應平面中。在本文中，x-y平面由正交軸線A1和A2所形成，並且平行於x-y平面的平面被稱為橫向平面。軸線A1和A2中的每一個都稱為“影像平面方向”，因為它們平行於相機180之一影像平面。除非另有說明，本文中物體之高度是指物體沿軸線A3的範圍。在本文中，對方向x、y或z的引用分別指沿著軸線A1、A2和A3的方向。此外，在本文中，水平面平行於x-y平面，長度和寬度分別指物體沿著x或y方向的範圍，並且垂直方向是沿著z方向。同樣在本文中，短語“沿軸線”A1、A2和A3分別意謂為在方向±x、±y和±z上。
圖3是信號處理電路系統層320和像素陣列基板380之一示意性平面圖，信號處理電路系統層320和像素陣列基板380分別是邏輯晶片220和感測器晶片280的示例。信號處理電路系統層320包括一中央區域321和包圍中央區域321之一周邊區域326。中央區域321包括多個積體電路322，其中的每個積體電路都是高溫區域222之一示例。雖然圖3描繪了五個積體電路322（1-5），但是信號處理電路系統層320可以包括多於或少於五個積體電路322。在一些實施例中，信號處理電路系統層320由具有一個或多個金屬化層的半導體基板（第二基板）形成或包括這樣的半導體基板（第二基板），其中積體電路322（1-5）中的每一個包括形成在半導體基板上的一個或多個電晶體和記憶體裝置。積體電路322之示例功能包括但不限於相位檢測自動聚焦、缺陷像素校正、去馬賽克和重新進行馬賽克處理。在一些實施例中，存在以下情況中的至少一種：（i）一個積體電路322是記憶體晶片，和（ii）一積體電路322包括類比數位轉換器。
圖3表示焊墊327/328與積體電路322之間的最小距離325，以及焊墊387/388與像素陣列381之間的最小距離385。在一些實施例中，最小距離325在0.08微米與0.12微米之間。在一些實施例中，距離385在0.10微米與0.16微米之間。
周邊區域326包括多個信號導電焊墊327（斜影線）和多個導熱焊墊328（灰色填充）。在一些實施例中，信號導電焊墊327和導熱焊墊328在結構上完全相同並且由相同的材料形成，並且僅在它們的功能方面有所區別。此外，信號導電焊墊327中的任何一個可以被配置為用作焊墊328，反之亦然。在一些實施例中，導熱焊墊328中的一個或多個也是接地焊墊（例如，連接到一接地連接的焊墊）。在一些實施例中，導熱焊墊328係配置靠近於高溫區域222中的至少一個積體電路322。
像素陣列基板380包括由周邊區域386包圍的一像素陣列381。像素陣列381是圖1中用於成像的像素陣列112A的示例。周邊區域386包括多個信號導電焊墊387（斜影線）和多個焊墊388（點線填充）。每個焊墊388可以是接地焊墊或非操作（“虛設（dummy）”）焊墊之一。在一些實施例中，焊墊387和388在結構上完全相同並且由相同的材料形成，並且僅在它們的功能方面有所區別。在一些實施例中，焊墊327、328、387和388中的每一個是以下情況中的至少一種：（a）完全相同和（b）由諸如金屬的導電材料形成。在一些實施例中，並且在x-y平面中，每個信號導電焊墊327與相應的信號導電焊墊387對準，並且每個導熱焊墊328與相應的焊墊388垂直對準。例如，信號導電焊墊327（1）與信號導電焊墊387（1）對準，並且導熱焊墊328（1）與焊墊388（1）對準。在一些實施例中，每個信號導電焊墊387還通過熱導孔或貫穿矽或基板通路（導孔）電耦合到相應的信號導電焊墊327。在一些實施例中，焊墊387及/或焊墊388中的一個或多個是接地焊墊。在本文中，在此的接地焊墊可以指連接到接地端或接地連接源的焊墊。
圖4是影像感測器400的等角視圖，影像感測器400包括信號處理電路系統層320、像素陣列基板380、熱輸送層440和至少一個熱導孔450。影像感測器400還可以包括一散熱層410。信號處理電路系統層320設置在散熱層410上。像素陣列基板380設置在信號處理電路系統層320上。熱輸送層440位於信號處理電路系統層320與像素陣列基板380之間。圖4包括箭頭402，箭頭402表示從像素陣列基板380和從熱輸送層440通過熱導孔450到散熱層410的熱流路徑。
在一些實施例中，熱輸送層440是金屬化層。在一些實施例中，熱輸送層440是像素陣列基板380和信號處理電路系統層320外部的金屬化層。在一些實施例中，熱輸送層440是感測器晶片和邏輯晶片外部的金屬化層。在一些實施例中，熱輸送層440是作為感測器晶片或邏輯晶片中金屬化層之一部分的金屬化層。
每個熱導孔450將熱輸送層440熱耦合到散熱層410。在一些實施例中，每個熱導孔450與熱輸送層440和散熱層410中的至少一個直接接觸。在一些實施例中，熱導孔450是穿過信號處理電路系統層320延伸到散熱層410的傳導熱元件，例如貫穿矽通路（through-silicon via，或稱為矽通孔）。熱導孔450可以由諸如銅的金屬形成。在其他實施例中，散熱層410可以是其上安裝（設置）有影像感測器400的印刷電路板。
在一些實施例中，熱輸送層440包括至少一個突起部分446，該至少一個突起部分446在平行於散熱層410之一頂表面419的水平面中延伸。圖4圖示了在熱輸送層440之至少一側上的多個突起部分446。
圖5是影像感測器500的等角視圖，影像感測器500相當於包括熱輸送層440和至少一個熱輸送結構550之影像感測器400。熱輸送結構550可以由熱粘合劑形成。在一些實施例中，熱輸送層440是金屬化層和熱粘合劑層之一。在一些實施例中，沿著軸線A1和A2中的至少一個，熱輸送層440之空間範圍大於像素陣列基板380和信號處理電路系統層320中的每一個的空間範圍，使得為了將熱量從像素陣列基板380導走，熱輸送層440之一部分被設置在（i）像素陣列基板380和信號處理電路系統層320外側，以及（ii）熱輸送層440與散熱層410之間。在一個實施例中，突起部分446中的每一個被配置成沿著方向A1或A2延伸，具有在像素陣列基板380和信號處理電路系統層320外部的一遠側端部，並且熱粘合劑層可以橫跨在（i）相鄰突起部分446之間和（ii）突起部分446與散熱層410之間，如圖5所示。
圖6是熱輸送層640之一示意性平面圖，熱輸送層640是具有多個不同的熱輸送層區域642的熱輸送層440之一示例。當影像感測器400包括信號處理電路系統層320和熱輸送層640時，每個熱輸送層區域642（
Figure 02_image001
）係與信號處理電路系統層320之一相應的積體電路322（
Figure 02_image001
）對準，其中在圖3和6的示例中，指示符號整數
Figure 02_image001
≤5。
在一些實施例中，熱輸送層640包括在至少一對熱輸送層區域642之間的一連結區段647，使得熱輸送層640包括比熱輸送層區域更少的不同部分（pieces）。在一些實施例中，連結區段647是以下情況中的至少一種：（i）由與熱輸送層640相同的材料製成，和（ii）與熱輸送層640同時形成。在一些實施例中，熱輸送層640包括多個突起部分646，其中的每個突起部分是突起部分446之一示例。
在一些實施例中，當積體電路322的數量為
Figure 02_image003
時，對於
Figure 02_image001
≤
Figure 02_image003
的至少一個值，熱輸送層640沒有一區域642（
Figure 02_image001
）。例如，在圖6的示例中，
Figure 02_image003
=5，當積體電路322（1）比積體電路322（2-5）消耗更少的電力（例如，具有更低的操作功率或瓦數）時，熱輸送層可能沒有用於
Figure 02_image001
=1的區域，使得熱輸送層640沒有任何部分位於積體電路322（1）正上方。
在一些實施例中，熱輸送層640是否包括區域642（
Figure 02_image001
）取決於相對於一個或多個閥值功率值的積體電路322（
Figure 02_image001
）之操作功率。在一些實施例中，（a）在積體電路322（
Figure 02_image001
）之操作功率小於第一功率閥值時，熱輸送層640沒有區域642（
Figure 02_image001
），並且（b）在積體電路322（
Figure 02_image001
）之操作功率超過第二功率閥值時，熱輸送層640包括區域642（
Figure 02_image001
），第二功率閥值可以等於第一功率閥值。第一功率閥值可以在50 mW與150 mW之間，例如100 mW。第二功率閥值可以在400 mW與600 mW之間，例如500 mW。
圖7是熱輸送層740之一示意性平面圖，熱輸送層740是熱輸送層440之一示例。熱輸送層740具有一內表面742，內表面742定義穿過熱輸送層740的一孔口（開口）744。在此示例中，孔口744與積體電路322（2）對準，例如，當積體電路322（2）比積體電路322（1, 3-5）消耗更少的電力（具有更低的操作功率）時。在一些實施例中，內表面742延伸到熱輸送層740之一邊緣741，使得孔口744變成一凹部。在這樣的實施例中，熱輸送層740覆蓋積體電路322（1, 3-5），積體電路322（1, 3-5）消耗相對高的電力，即在影像感測器操作期間產生更高的溫度或輻射更高的熱能。熱輸送層740遮罩像素陣列基板380上的像素陣列區域，使其免受位於像素陣列基板380之下的信號處理電路系統層320中所形成的積體電路322（1, 3-5）的影響。
圖8是影像感測器800之一截面圖，影像感測器800是圖4的影像感測器400之一示例。圖8之截面圖代表在
Figure 02_image005
-
Figure 02_image007
平面和
Figure 02_image009
-
Figure 02_image007
平面中的任一者或兩者中的影像感測器800。影像感測器800包括信號處理電路系統層320、熱輸送層840、像素陣列基板380和至少一個熱導孔850。
在一些實施例中，影像感測器800包括一散熱層810。在其他實施例中，散熱層810在影像感測器800外部。例如，影像感測器800可以是一堆疊式晶片結構，安裝（配置）在其上形成有散熱層810之印刷電路板上。在一些實施例中，影像感測器800和散熱層810是相機模組的一部分。在一些實施例中，影像感測器800包括一邏輯晶片820和一感測器晶片880。散熱層810、熱輸送層840和熱導孔850分別是散熱層410、熱輸送層440和熱導孔450之相應示例。熱輸送層840具有一厚度844，在一些實施例中，厚度844在50奈米與100奈米之間。散熱層810具有一頂表面819，頂表面819是頂表面419之一示例。
散熱層810包括在周邊區域326下方對準的至少一個導電焊墊812。圖8圖示了每個熱導孔850鄰接一相應的區域846。在一些實施例中，每個區域846是一突起部分，例如突起部分446，其係從熱輸送層840於例如在平行於信號處理電路系統層320的底表面323的一水平面（例如，該
Figure 02_image005
-
Figure 02_image009
平面）中延伸。每個熱導孔850從熱輸送層840之一區域846延伸。在一些實施例中，每個熱導孔850沿著平行於以下平面的方向延伸，該平面（i）垂直於信號處理電路系統層320之底表面323，（ii）與周邊區域386和周邊區域326相交。在一些實施例中，如在熱輸送層840之左側下方所示，至少一個熱導孔850鄰接信號處理電路系統層320的接合焊墊328，並且接合焊墊328例如藉由導孔（via）851熱耦合到一導電焊墊812。
在一些實施例中，至少一個導電焊墊812是一外部端接點，例如焊料凸塊（solder bump），可以與散熱層810分離。在一些實施例中，例如，當影像感測器800不包括散熱層810時，至少一個導電焊墊812可以是信號處理電路系統層320之一部分。例如，一個或多個導電焊墊812可以暴露在信號處理電路系統層320之一底表面323上，或者從該底表面323突出。
在一些實施例中，例如在熱輸送層840之右側下方所示，至少一個熱導孔850從熱輸送層840之一區域846延伸，穿過周邊區域326，並鄰接相應的導電焊墊812。照此，每個熱導孔850將熱輸送層840熱耦合到相應的導電焊墊812。這種熱耦合將邏輯晶片820產生的熱量從感測器晶片880導走，並通過邏輯晶片820導到位於感測器晶片880和邏輯晶片820之外部的散熱層810。從感測器晶片880導走熱量降低了影像感測器800操作期間，來自邏輯晶片820的熱量對感測器晶片880的影響，並減少了像素陣列381捕獲的影像的暗電流不均勻性。在一些實施例中，感測器晶片880是背照式影像感測器，其中像素陣列基板380之像素係感測或接收入射到像素陣列基板380之背表面389的光。背表面389背離熱輸送層840。
在一些實施例中，散熱層810還包括至少一個導電焊墊814，對準周邊區域326下方。在這樣的實施例中，每個導電焊墊812保持在第一電壓，並且每個導電焊墊814保持在不同於第一電壓的第二電壓。例如，當第一電壓是供電電壓（負或正電壓）和接地之一時，第二電壓是供電電壓和接地中之另一個。
在一些實施例中，像素陣列基板包括周邊區域386中的焊墊887。在一些實施例中，焊墊887是信號導電焊墊387或焊墊388之一示例。
在一些實施例中，邏輯晶片820設置在散熱層810上，並且包括一底部互連層堆疊829和信號處理電路系統層320。信號處理電路系統層320位於底部互連層堆疊829與散熱層810之間。感測器晶片880設置在邏輯晶片820上，並包括一頂部互連層堆疊889和像素陣列基板380。頂部互連層堆疊889位於底部互連層堆疊829與像素陣列基板380之間。
底部互連層堆疊829包括多個金屬層822，其中的每個金屬層嵌入在堆疊829之多個底部金屬間介電層中。在一些實施例中，每個底部金屬間介電層橫跨在相鄰金屬層822之間。頂部互連層堆疊889包括多個金屬層882，嵌入於堆疊889之多個頂部金屬間介電層之中。在一些實施例中，每個頂部金屬間介電層橫跨在相鄰金屬層822之間。在一些實施例中，多個頂部金屬間介電層和底部金屬間介電層包括介電或絕緣材料，例如氧化矽、氮化矽、多孔氧化物材料、低κ介電材料或其他合適的材料。
在一些實施例中，熱輸送層840位於底部互連層堆疊829與頂部互連層堆疊889之間。在一些實施例中，熱輸送層是金屬層822之一或金屬層882之一，如隨後的圖中所示。雖然本文中影像感測器800之圖示包括四個金屬層822（1-4）和四個金屬層882（1-4），但堆疊式影像感測器之實施例可包含少於或多於四個金屬層822及/或少於或多於四個金屬層882。
在一些實施例中，影像感測器800包括一導電元件884，以將感測器晶片880電連接到邏輯晶片820。導電元件884可以是貫穿矽導孔或混合接合重分佈層，並將感測器晶片880連接到邏輯晶片820以用於信號傳輸。傳輸信號之示例包括從感測器晶片880到邏輯晶片820的一影像信號和從邏輯晶片820到感測器晶片880的一驅動信號。
在一些實施例中，散熱層810是位於影像感測器800外部的一印刷電路板，或者影像感測器800包括一基板802，散熱層810設置在基板802上。基板802可以是一印刷電路板。當影像感測器800包括一印刷電路板，例如作為散熱層810或基板802時，熱輸送層840可以熱耦合到印刷電路板之一接地端和一電源端之一。
圖9是影像感測器900之一截面圖，影像感測器900是當熱輸送層是金屬層822之一時的影像感測器800之一示例。影像感測器900包括堆疊有邏輯晶片920的感測器晶片880。邏輯晶片920是包括熱輸送層940的邏輯晶片820之一示例，熱輸送層940是金屬層822之一。熱輸送層940是熱輸送層440之一示例，並且相對於信號處理電路系統320是最遠側的金屬層822。例如，當金屬層822中從信號處理電路320在最遠側的金屬層是金屬層822（
Figure 02_image003
）時，其中
Figure 02_image003
是大於1的整數，熱輸送層940是金屬層822（
Figure 02_image003
）之一示例。
影像感測器900包括至少一個熱導孔950，熱導孔950是熱導孔450之一示例。每個熱導孔950從熱輸送層940的區域946穿過信號處理電路系統層320的周邊區域326延伸到導電焊墊812，從而將熱輸送層940熱耦合到導電焊墊812，並將熱量從感測器晶片880之像素陣列基板380導走。區域946是熱輸送層840之區域846之一示例。在不脫離本發明實施例的範圍的情況下，熱輸送層940可以是金屬層822中不同的一個金屬層，例如金屬層822（3）、822（2）和822（1）中的一個。
圖10是影像感測器1000之一截面圖，影像感測器1000是當影像感測器800之熱輸送層是金屬層882中的一個（例如）或是從像素陣列基板380在最遠側的金屬層時的影像感測器800之一示例。具體而言，影像感測器1000包括一熱輸送層1040，熱輸送層1040是層882（1）和熱輸送層440之一示例。
影像感測器1000包括至少一個熱導孔1050，熱導孔1050是熱導孔450之一示例。每個熱導孔1050從熱輸送層1040之一區域1046延伸穿過電路系統層320之周邊區域326，並熱耦合到散熱層810，以將熱量從感測器晶片880之像素陣列基板380引走。區域1046是熱輸送層840之區域846之一示例。在不脫離本發明實施例的範圍的情況下，熱輸送層1040可以是金屬層882之不同的一個金屬層，例如金屬層882（2）、882（3）和882（4）中的一個。
圖11是影像感測器1100之一截面圖，影像感測器1100是除了熱輸送層940之外還包括熱輸送層1130和至少一個導電焊墊814的影像感測器900之一示例。熱輸送層1130是熱輸送層440之一示例，並且是金屬層822之一。影像感測器1100包括至少一個熱導孔1150，熱導孔1150是熱導孔450之一示例。每個熱導孔1150從熱輸送層1130之一區域1136穿過周邊區域326延伸到導電焊墊814，並且因此將熱輸送層1130熱耦合到導電焊墊814。區域1136是熱輸送層840的區域846之一示例。在一些實施例中，影像感測器1100包括位於熱輸送層940與1130之間並電連接熱輸送層940與1130的多個電導孔（conductive vias）1138。
熱輸送層1130位於熱輸送層940與信號處理層320之間。在一些實施例中，熱輸送層1130係藉由堆疊829之至少一個金屬間介電層與熱輸送層940垂直分離。在一些實施例中，熱輸送層1130係與熱輸送層940相鄰，使得在熱輸送層940與1130之間沒有金屬層822。圖12是熱輸送層之一示意性平面圖。
圖12是熱輸送層1240和1230之一示意性平面圖，熱輸送層1240和1230分別是圖11的影像感測器1100之熱輸送層940和1130之相應示例。熱輸送層1240包括多條接地線1241和多條電力線1242。熱輸送層1230包括多條接地線1231和多條電力線1232。在圖12之平面圖中，熱輸送層1230位於熱輸送層1240下方。在一些實施例中，在熱輸送層1240中多條接地線1241與多條電力線1242交錯配置，使得接地線1241與電力線1242形成多條第一雙絞線導線。類似地，在熱輸送層1230中多條接地線1231與多條電力線1232交錯配置，使得接地線1231與電力線1232形成多條第二雙絞線導線。
當在影像感測器中操作時，每條電力線1232和1242保持在電力電壓
Figure 02_image011
，並且每條接地線1231和1241保持在參考電壓
Figure 02_image013
。在一些實施例中，存在以下情況中至少一種：（i）線1241和1242分別保持在電力電壓
Figure 02_image011
和接地參考電壓
Figure 02_image013
，使得線1241和1242分別是電力線和接地線，和（ii）線1231和1232分別保持在電力電壓
Figure 02_image011
和接地參考電壓
Figure 02_image013
，使得線1231和1232分別是電力線和接地線。情況（i）、（ii）中的每一種情況以及它們的組合減少了從信號處理層320發出的電磁輻射。電力電壓
Figure 02_image011
可以是一電源電壓或正供電電壓，而接地參考電壓
Figure 02_image013
可以是低內部參考電壓、零伏或負電壓。正供電電壓可以在0.9 V與4 V之間。負電壓可以在-1V與-0.1V之間。然而，應當理解，電力電壓可以基於信號處理層320中相應耦合電路系統之所需操作電壓來配置。
熱輸送層1230可以包括多個行端接導電焊墊1236，其中的每個行端接導電焊墊係端接相應的線1231或線1232。熱輸送層1240可以包括多個列端接導電焊墊1246，其中的每個列端接導電焊墊係端接相應的線1241或線1242。熱輸送層1230包括多個L形區段1233和1234。熱輸送層1240包括多個L形區段1243。導電焊墊1236和1246分別是圖11中區域1136和946之相應示例。為了圖示清楚，不是所有的導電焊墊1246都標有參考編號。
圖12圖示了雙絞線1249、雙絞線1247、雙絞線1248。每個雙絞線1249包括一段電力線1242、一個L形區段1233和兩個電導孔1138，這兩個電導孔1138將L形區段1233之相應端部電連接到相鄰接地線1241之相應端部。為了圖示清楚，圖12僅用一參考編號表示兩對電導孔。
每個雙絞線1247包括一段電力線1232、一個L形區段1243和兩個電導孔1138，這兩個電導孔1138將L形區段1243之相應端部電連接到相鄰接地線1231之相應端部。每個雙絞線1248包括一段接地線1241、一個L形區段1234和兩個電導孔1138，這兩個電導孔1138將L形區段1234之相應端部電連接到相鄰電力線1242之相應端部。在一些實施例中，通過熱輸送層1230中連接接地線1241之各段的一L形區段1233以傳輸的一個信號是一接地信號，而通過位於L形區段1233上方的電力線1242之各段以傳輸的一個信號是一電力信號。
藉由包括一接地線和一電力線之部分，雙絞線1249-1248中的每一個有助於平衡電力線和接地線上的電磁干擾，從而遮蔽感測器晶片880免受電磁干擾，例如由邏輯晶片820之信號處理電路系統層中的一個或多個積體電路產生的電磁干擾。
圖13是熱輸送層1240和1330的替代佈局設計之一示意性平面圖。熱輸送層1330是圖11的影像感測器1100之熱輸送層1130之一示例。熱輸送層1330包括多條接地線1331和多條電力線1332。在圖13之平面圖中，熱輸送層1330位於熱輸送層1240下方。
當在影像感測器中操作時，在一些實施例中，每條電力線1332保持在電力電壓
Figure 02_image011
，並且每條接地線1331保持在接地參考電壓
Figure 02_image013
。在一些實施例中，施加到線1331和1332的電壓是相反的，使得每條線1331和1332分別是電力線和接地線。
熱輸送層1330可以包括端接接地線1331與電力線1332的多個行端接導電焊墊1236。接地線1331和電力線1332可以分別向信號處理電路系統層320之積體電路供應接地參考電壓和電力電壓。熱輸送層1330包括多個L形區段1233和1234。圖13包括雙絞線1249和雙絞線1248，其中的每一個都在上面圖12的說明中進行了描述。
圖14是雙絞線1346的等角視圖，雙絞線1346是雙絞線1249-1248中的每一個的示例。雙絞線1346包括第一層中的第一導線1341和第二導線1342，第一層可以是最遠側的金屬層，例如熱輸送層1240。雙絞線1346還包括在相鄰金屬層例如熱輸送層1230和1330中的一L形區段1333（由虛線表示）。圖14表示距離
Figure 02_image015
、
Figure 02_image017
和
Figure 02_image019
，在一些實施例中，這些距離中的每個距離大於或等於0.3微米。
第一導線1341包括（i）沿軸線A1定向的一近側區段1341（1），（ii）沿軸線A1和A2相對於近側區段1341（1）偏移的一遠側區段1341（3），以及（iii）將近側區段1341（1）之一遠側端部連接到遠側區段1341（3）之一近側端部的一連接區段1341（2）。第二導線1342包括一近側區段1342（1）和一遠側區段1342（2）。近側區段1342（1）沿著方向A2與近側區段1341（1）相鄰，並且與遠側區段1341（3）共線。遠側區段1342（2）沿著方向A2與遠側區段1341（3）相鄰，並且與第一近側區段1341（1）共線。
L形區段1333包括一線性區段1333（1）和與線性區段1333（1）垂直的一線性區段1333（2）。線性區段1333（1）係部分地位於遠側區段1341（3）下方，並且具有一近側端部，其位於近側區段1342（1）之一遠側端部下方並且藉由電導孔1138（1）與近側區段1342（1）之遠側端部電連接。線性區段1333（2）具有一端部，位於遠側區段1342（2）之一近側端部下方，並藉由電導孔1138（2）與遠側區段1342（2）之近側端部電連接。
在一些實施例中，第一導線1341和第二導線1342藉由金屬間介電材料（例如，氧化矽或低κ介電材料）電隔離。在一個示例中，第一導線1341和第二導線1342嵌入在至少一個金屬間介電材料層中。例如，第二導線1342之線性區段1333（1）與第一導線1341之遠側區段1341（3），藉由設置在其間的金屬間介電材料電隔離，並且第二導線1342之線性區段1333（2）與第一導線1341之遠側區段1341（3），藉由設置在其間的金屬間介電材料電隔離。電導孔1138（1）和1138（2）延伸穿過金屬間介電材料，以將近側區段1342（1）之遠側端部電連接到線性區段1333（1），以及將區段1342（2）之近側端部電連接到線性區段1333（2）。 特徵組合
在不脫離本發明的範圍的情況下，上面描述的特徵以及下面所要求保護的特徵可以以各種方式組合。以下列舉的示例說明了一些可能的、非限制性的組合。
（A1）一種堆疊式影像感測器，包括一信號處理電路系統層、一像素陣列基板、一熱輸送層和一熱導孔。信號處理電路系統層包括暴露在信號處理電路系統層之一電路系統層底表面上的一導電焊墊。像素陣列基板包括一像素陣列，並設置在信號處理電路系統層之一電路系統層頂表面上。電路系統層頂表面位於電路系統層底表面與像素陣列基板之間。熱輸送層位於信號處理電路系統層與像素陣列基板之間。熱導孔物理連接熱輸送層與導電焊墊。
（A2）在影像感測器（A1）的實施例中，像素陣列基板包括包圍像素陣列的一上周邊區域，並且熱輸送層包括在平行於電路系統層底表面的一水平面中延伸的一突起部分。熱導孔在一垂直平面中鄰接突起部分，該垂直平面係（i）垂直於水平面並且（ii）與上周邊區域相交。
（A3）在影像感測器（A2）的實施例中，信號處理電路系統層包括多個積體電路和在其周圍的與垂直平面相交的一下周邊區域，並且熱導孔從熱輸送層延伸穿過下周邊區域。
（A4）影像感測器（A2）和（A3）中任一個的實施例包括，當熱輸送層包括各自在水平面中延伸的多個附加突起部分時，多個附加熱導孔各自在垂直平面中鄰接多個附加突起部分中之相應的一個。
（A5）在影像感測器（A4）的實施例中，信號處理電路系統層包括多個積體電路和在其周圍的與垂直平面相交的一下周邊區域。在這樣的實施例中，多個附加熱導孔中之每一個從熱輸送層延伸穿過下周邊區域。
（A6）在影像感測器（A1）-（A5）中任一個的實施例中，信號處理電路系統層包括多個積體電路，熱輸送層包括多個不同的區域，每個區域對準其上方在多個積體電路之相應的一個積體電路。
（A7）在影像感測器（A6）的實施例中：多個積體電路之每一個具有多個操作功率之一相應的一個；信號處理電路系統層包括操作功率小於多個操作功率之一最小值的一附加積體電路；並且熱輸送層形成在該附加積體電路與像素陣列之間對準的一孔口和一凹部之一。
（A8）在影像感測器（A1）-（A7）中任一個的實施例中，信號處理電路系統層包括具有第一操作功率的第一積體電路和具有超過第一操作功率的第二操作功率的第二積體電路。熱輸送層之至少部分係位於第二積體電路與像素陣列之間。熱輸送層形成在第一積體電路與像素陣列之間對準的一孔口和一凹部之一。
（A9）在影像感測器（A1）-（A8）中任一個的實施例中，熱輸送層的厚度在50奈米與100奈米之間。
（A10）在影像感測器（A1）-（A9）中任一個的實施例中，信號處理電路系統層包括多個積體電路和在其周圍的一下周邊區域；並且熱導孔從熱輸送層延伸穿過下周邊區域。
（A11）在影像感測器（A1）-（A10）中任一個的實施例中，像素陣列基板包括接地焊墊，該接地焊墊（i）位於包圍像素陣列的上周邊區域中，並且（ii）通過熱導孔熱耦合到熱輸送層。
（A12）影像感測器（A1）-（A11）中任一個的實施例更包括一底部互連層堆疊和一頂部互連層堆疊。底部互連層堆疊在信號處理電路系統層上。頂部互連層堆疊位於像素陣列基板與底部互連層堆疊之間。
（A13）在影像感測器（A12）的實施例中，熱輸送層位於底部互連層堆疊與頂部互連層堆疊之間。
（A14）在影像感測器（A12）和（A13）中任一個的實施例中，底部互連層堆疊包括多個金屬層，熱輸送層是多個金屬層中相對於電路系統層底表面的一最遠側金屬層。
（A15）影像感測器（A14）的實施例更包括一附加熱輸送層，位於熱輸送層與電路系統層底表面之間，並且熱耦合到導電焊墊。附加熱輸送層是多個金屬層中靠近熱輸送層的一附加的金屬層。
（A16）影像感測器（A15）的實施例更包括多個電導孔，位於熱輸送層與附加熱輸送層之間並連接熱輸送層與附加熱輸送層。
（A17）當附加金屬層與最遠側金屬層相鄰並且在最遠側金屬層與電路系統層底表面之間時，影像感測器（A16）的實施例包括導線之一雙絞線。導線之雙絞線在最遠側金屬層中並且相對於其第一側包括：第一導線和第二導線。第一導線包括（i）在一第一方向上定向的一第一近側區段，（ii）在第一方向和垂直於第一方向的一第二方向上相對於第一近側區段偏移的一第一遠側區段，以及（iii）將第一近側區段之一遠側端部連接到第一遠側區段之一近側端部的一連接區段。第二導線包括（i）在第二方向上與第一近側區段相鄰並與第一遠側區段共線的一第二近側區段，（ii）在第二方向上與第一遠側區段相鄰並與第一近側區段共線的一第二遠側區段。雙絞線在附加金屬層中更包括一L形區段，包括（i）一第一線性區段，部分地位在第一遠側區段下方並具有在第二近側區段之一遠側端部下方的一近側端部，以及（ii）位於第二遠側區段之一近側端部下方的一遠側端部。雙絞線更包括：（v1）多個電導孔之一第一電導孔，將L形區段之近側端部電連接到第二近側區段之遠側端部；以及（v2）多個電導孔之一第二電導孔，將L形區段之遠側端部電連接到第二遠側區段之近側端部。
（A18）在影像感測器（A12）-（A17）中任一個的實施例中，頂部互連層堆疊包括多個金屬層，並且熱輸送層是多個金屬層中相對於像素陣列基板在最遠側的一金屬層。
（A19）影像感測器（A12）-（A18）中任一個的實施例更包括一邏輯晶片、一感測器晶片和一導電結構。邏輯晶片包括底部互連層堆疊和信號處理電路系統層。感測器晶片設置在邏輯晶片上，並包括像素陣列基板、以及位於像素陣列基板與底部互連層堆疊之間的頂部互連層堆疊。導電結構將感測器晶片之頂部互連層堆疊電連接到邏輯晶片之底部互連層堆疊。導電結構是貫穿矽導孔和混合接合重分佈層之一。
（A20）在影像感測器（A1）-（A19）中任一個的實施例中，熱輸送層包括一金屬化層和一熱粘合劑層之至少一種。
（A21）影像感測器（A1）-（A20）中任一個的實施例更包括一散熱層。信號處理電路系統層設置在散熱層上。
（A22）在影像感測器（A21）的實施例中，散熱層是一印刷電路板，並且熱輸送層熱耦合到印刷電路板之接地端和一電源端之一。
（A23）影像感測器（A21）-（A22）中任一個的實施例更包括一基板，並且散熱層設置在基板上。基板可以是印刷電路板。
（B1）一種堆疊式影像感測器，包括一散熱層、設置在散熱層上的一信號處理電路系統層、一像素陣列基板、一熱輸送層和一熱導孔。像素陣列基板包括一像素陣列並設置在信號處理電路系統層上。熱輸送層位於信號處理電路系統層與像素陣列基板之間。熱導孔將熱輸送層熱耦合到散熱層。
在不脫離本發明範圍的情況下，可以對上述方法和系統進行改變。因此，應當注意，包含在以上描述中或者在附圖中示出的內容應當被解釋為說明性的，而不是限制性的。以下的申請專利範圍旨在覆蓋本文描述的所有一般的和特定的特徵，以及就語言而言，可以說落在它們之間的本方法和系統的範圍的所有陳述。
112:像素 112A,381:像素陣列 190,380,802:像素陣列基板 192,400,500,800,1000,1100:影像感測器 195:相機 200:堆疊式晶片影像感測器 220,820,920:邏輯晶片 222:高溫區域 280,880:感測器晶片 282:受熱區域 320:信號處理電路系統層 321:中央區域 322,322（1-5）:積體電路 323:底表面 325,385:最小距離 326,386:周邊區域 327,327（1）,387,387（1）,812,814,887,1236,1246:信號導電焊墊 328,328（1）,388,388（1）:導熱焊墊 389:背表面 402:箭頭 410,810:散熱層 419,819:頂表面 440,640,740,840,940,1040,1130,1230,1240,1330:熱輸送層 446,646:突起部分 450,850,851,950,1050,1150:熱導孔 550:熱輸送結構 642,642（
Figure 02_image001
）:熱輸送層區域 647:連結區段 741:邊緣 742:內表面 744:孔口 822,822（1-4）,882, 882（1-4）:金屬層 829:底部互連層堆疊 844:厚度 846,946,1046,1136:區域 884:導電元件 889:頂部互連層堆疊 1138,1138（1-2）:電導孔 1231,1241:接地線 1232,1242:電力線 1233,1234,1243,1333:L形區段 1247,1248,1249,1346:雙絞線 1333（1-2）:線性區段 1341:第一導線 1341（1）,1342（1）:近側區段 1341（2）:連接區段 1341（3）,1342（2）:遠側區段 1342:第二導線
［圖1］描繪了對場景成像的相機；該相機包括一影像感測器。
［圖2］是堆疊式晶片影像感測器的示意圖，該堆疊式晶片影像感測器是圖1的影像感測器之一示例。
［圖3］是信號處理電路系統層和像素陣列基板之一示意性平面圖，該信號處理電路系統層和像素陣列基板分別是圖2的堆疊式晶片影像感測器的邏輯晶片和感測器晶片之相應示例。
［圖4］是包括熱輸送層的影像感測器之一等角視圖，該影像感測器是圖1的影像感測器之一示例。
［圖5］是影像感測器之一等角視圖，該影像感測器是圖1的影像感測器之一示例。
［圖6］和［圖7］中的每一個是熱輸送層之相應示意性平面圖，該熱輸送層是圖4的熱輸送層之一示例。
［圖8］是影像感測器之一截面圖，該影像感測器是圖4的影像感測器之一示例。
［圖9］和［圖10］是相應影像感測器之截面圖，該相應影像感測器是圖8的影像感測器之示例。
［圖11］是影像感測器之一截面圖，該影像感測器是圖9的影像感測器之一示例。
［圖12］是兩個相鄰熱輸送層之一示意性平面圖，這兩個相鄰熱輸送層是圖11的影像感測器的相鄰熱輸送層之相應示例。
［圖13］是兩個相鄰熱輸送層之一示意性平面圖，這兩個相鄰熱輸送層也是圖11的影像感測器的相鄰熱輸送層之相應示例。
［圖14］是一雙絞線之一等角視圖，該雙絞線是圖12和13的示例雙絞線。
320:信號處理電路系統層
380:像素陣列基板
400:影像感測器
402:箭頭
410:散熱層
419:頂表面
440:熱輸送層
446:突起部分
450:熱導孔

Claims (22)

  1. 一種堆疊式影像感測器，包括： 一信號處理電路系統層，包括暴露在所述信號處理電路系統層之一電路系統層底表面上的一導電焊墊； 一像素陣列基板，包括一像素陣列並設置在所述信號處理電路系統層之一電路系統層頂表面上，所述電路系統層頂表面位於所述電路系統層底表面與所述像素陣列基板之間； 一熱輸送層，位於所述信號處理電路系統層與所述像素陣列基板之間；以及 一熱導孔，將所述熱輸送層熱耦合到所述導電焊墊。
  2. 如請求項1所述的堆疊式影像感測器，其中所述像素陣列基板包括包圍所述像素陣列的一上周邊區域，所述熱輸送層包括在平行於所述電路系統層底表面的一水平面中延伸的一突起部分，所述熱導孔在一垂直平面中鄰接所述突起部分，所述垂直平面係（i）垂直於所述水平面並且（ii）與所述上周邊區域相交。
  3. 如請求項2所述的堆疊式影像感測器，其中所述信號處理電路系統層包括多個積體電路和在其周圍的與所述垂直平面相交的一下周邊區域，所述熱導孔從所述熱輸送層延伸穿過所述下周邊區域。
  4. 如請求項2所述的堆疊式影像感測器，其中所述熱輸送層包括多個附加突起部分，每個所述附加突起部分在所述水平面中延伸，並且所述影像感測器更包括：多個附加熱導孔，每個所述附加熱導孔在所述垂直平面中鄰接所述多個附加突起部分中之相應的一個。
  5. 如請求項4所述的堆疊式影像感測器，其中所述信號處理電路系統層包括多個積體電路和在其周圍的與所述垂直平面相交的一下周邊區域，以及所述多個附加熱導孔中之每一個從所述熱輸送層延伸穿過所述下周邊區域。
  6. 如請求項1所述的堆疊式影像感測器，其中所述信號處理電路系統層包括多個積體電路，所述熱輸送層包括多個不同的區域，每個所述區域對準其上方在所述多個積體電路之相應的一個積體電路。
  7. 如請求項6所述的堆疊式影像感測器，其中所述多個積體電路之每一個具有多個操作功率之一相應的操作功率，所述信號處理電路系統層包括操作功率小於所述多個操作功率之一最小值的一附加積體電路，所述熱輸送層形成在所述附加積體電路與所述像素陣列之間對準的一孔口和一凹部之一。
  8. 如請求項1所述的堆疊式影像感測器，其中所述信號處理電路系統層包括具有一第一操作功率的一第一積體電路和具有超過所述第一操作功率的一第二操作功率的一第二積體電路，所述熱輸送層之至少部分係位於所述第二積體電路與所述像素陣列之間，所述熱輸送層形成在所述第一積體電路與所述像素陣列之間對準的一孔口和一凹部之一。
  9. 如請求項1所述的堆疊式影像感測器，其中所述信號處理電路系統層包括多個積體電路和在其周圍的一下周邊區域；以及，所述熱導孔從所述熱輸送層延伸穿過所述下周邊區域。
  10. 如請求項1所述的堆疊式影像感測器，更包括：在所述信號處理電路系統層上的一底部互連層堆疊；以及，位於所述像素陣列基板與所述底部互連層堆疊之間的一頂部互連層堆疊。
  11. 如請求項10所述的堆疊式影像感測器，其中所述熱輸送層位於所述底部互連層堆疊與所述頂部互連層堆疊之間。
  12. 如請求項10所述的堆疊式影像感測器，其中所述底部互連層堆疊包括多個金屬層，所述熱輸送層是所述多個金屬層中相對於所述電路系統層底表面的一最遠側金屬層。
  13. 如請求項12所述的堆疊式影像感測器，更包括：一附加熱輸送層，位於所述熱輸送層與所述電路系統層底表面之間，並熱耦合到所述導電焊墊，所述附加熱輸送層是所述多個金屬層中靠近所述熱輸送層的一附加金屬層。
  14. 如請求項13所述的堆疊式影像感測器，更包括：多個電導孔，位於所述熱輸送層與所述附加熱輸送層之間並連接所述熱輸送層和所述附加熱輸送層。
  15. 如請求項14所述的堆疊式影像感測器，其中所述附加金屬層與所述最遠側金屬層相鄰並且在所述最遠側金屬層與所述電路系統層底表面之間，並且所述影像感測器更包括導線之一雙絞線，所述導線之該雙絞線包括： （a）在所述最遠側金屬層中並且相對於所述最遠側金屬層之一第一側： 一第一導線，包括（i）在一第一方向上定向的一第一近側區段，（ii）在所述第一方向和垂直於所述第一方向的一第二方向上相對於所述第一近側區段偏移的一第一遠側區段，以及（iii）將所述第一近側區段之一遠側端部連接到所述第一遠側區段之一近側端部的一連接區段； 第二導線，包括（i）在所述第二方向上與所述第一近側區段相鄰並與所述第一遠側區段共線的一第二近側區段，（ii）在所述第二方向上與所述第一遠側區段相鄰並與所述第一近側區段共線的一第二遠側區段；以及 （b）在所述附加金屬層中，一L形區段包括：（i）一第一線性區段，部分地位在所述第一遠側區段下方並具有在所述第二近側區段之一遠側端部下方的一近側端部，以及（ii）在所述第二遠側區段之一近側端部下方的一遠側端部； （c）所述多個電導孔之一第一電導孔，將所述L形區段之所述近側端部電連接到所述第二近側區段之所述遠側端部；以及 （d）所述多個電導孔之一第二電導孔，將所述L形區段之所述遠側端部電連接到所述第二遠側區段之所述近側端部。
  16. 如請求項10所述的堆疊式影像感測器，其中所述頂部互連層堆疊包括多個金屬層，所述熱輸送層是所述多個金屬層中相對於所述像素陣列基板在最遠側的一個層。
  17. 如請求項10所述的堆疊式影像感測器，更包括：一邏輯晶片，包括所述底部互連層堆疊和所述信號處理電路系統層；一感測器晶片，設置在所述邏輯晶片上並包括所述像素陣列基板，和位於所述像素陣列基板與所述底部互連層堆疊之間的所述頂部互連層堆疊；以及，一導電結構，將所述感測器晶片之所述頂部互連層堆疊電連接到所述邏輯晶片之所述底部互連層堆疊，所述導電結構是貫穿矽導孔和混合接合重分佈層之一。
  18. 如請求項1所述的堆疊式影像感測器，其中所述熱輸送層包括一金屬化層和一熱粘合劑層之至少一種。
  19. 如請求項1所述的堆疊式影像感測器，更包括一散熱層，所述信號處理電路系統層設置在所述散熱層上。
  20. 如請求項19所述的堆疊式影像感測器，其中所述散熱層是一印刷電路板，所述熱輸送層熱耦合到所述印刷電路板之一接地端和一電源端之一。
  21. 如請求項19所述的堆疊式影像感測器，更包括一基板，所述散熱層設置在所述基板上。
  22. 一種堆疊式影像感測器，包括： 一散熱層； 一信號處理電路系統層，設置在所述散熱層上； 一像素陣列基板，包括一像素陣列並設置在所述信號處理電路系統層上； 一熱輸送層，位於所述信號處理電路系統層與所述像素陣列基板之間；以及 一熱導孔，將所述熱輸送層熱耦合到所述散熱層。
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