TWI539197B - 晶圓級步階式感測器固持件 - Google Patents

Description

晶圓級步階式感測器固持件

本發明一般而言係關於影像感測器。更具體而言，本發明之實施例係關於晶圓級相機模組。

一晶圓級相機模組係具有一小佔用面積且可用於諸如(舉例而言)行動電話、筆記型電腦、平板電腦及諸如此類之應用中之一相機模組。一晶圓級相機模組包含用以聚焦一影像之光學器件及用於感測影像之一影像感測器。為了擷取一高品質影像，相機模組之光學器件通常包含由玻璃晶圓及/或間隔件分離之數個透鏡。該等透鏡堆疊成一透鏡堆疊。該透鏡堆疊安置於一影像感測器模組上。該透鏡堆疊及該影像感測器模組封圍於亦可稱作一固持件之一筒內。

已不斷努力來減小相機模組大小以及晶圓級相機模組之製造及組裝之生產成本。隨著組裝一相機模組所需要之步驟之數目增加，組裝相機模組所需要之時間增加，此增加生產相機模組之成本。因此，一晶圓級相機模組及可減小用以組裝一晶圓相機模組之步驟之數目之晶圓級相機模組組裝方法係合意的。此外，具有較少部件及一減小之相機模組大小之晶圓級相機模組亦係合意的。

100‧‧‧典型晶圓級相機模組/晶圓級相機模組/晶圓相機模組

102‧‧‧影像感測器

104‧‧‧透鏡堆疊

106‧‧‧間隔件

108‧‧‧玻璃晶圓

110‧‧‧透鏡

112‧‧‧間隔件

114‧‧‧玻璃晶圓

116‧‧‧透鏡

118‧‧‧筒

122‧‧‧光洩露

200‧‧‧實例性晶圓級相機模組/晶圓級相機模組

202‧‧‧影像感測器

204‧‧‧透鏡堆疊

206‧‧‧間隔件

208‧‧‧玻璃晶圓

210‧‧‧透鏡

212‧‧‧間隔件/玻璃晶圓

214‧‧‧玻璃晶圓

216‧‧‧透鏡

220‧‧‧光

224‧‧‧經薄化壁/焊料球

226‧‧‧步階

228‧‧‧凹部

330‧‧‧像素單元

332‧‧‧光電二極體

334‧‧‧傳送電晶體

336‧‧‧重設電晶體

338‧‧‧浮動擴散部

340‧‧‧源極隨耦器電晶體

342‧‧‧選擇電晶體

344‧‧‧讀出行位元線

402‧‧‧影像感測器

404‧‧‧實例性透鏡堆疊/透鏡堆疊

420‧‧‧光

444‧‧‧讀出行位元線

446‧‧‧成像系統

448‧‧‧讀出電路

450‧‧‧功能邏輯

452‧‧‧控制電路

C1-Cx‧‧‧行

P1-Pn‧‧‧像素單元

R1-Ry‧‧‧列

RST‧‧‧重設信號

SEL‧‧‧選擇信號

T1‧‧‧傳送電晶體

T2‧‧‧重設電晶體

T3‧‧‧源極隨耦器電晶體

T4‧‧‧選擇電晶體

TX‧‧‧傳送信號

VDD‧‧‧電力軌

參考以下各圖闡述本發明之非限制性及非窮盡性實施例，其中除非另有規定，否則貫穿各種視圖相似元件符號係指相似部件。

圖1係一典型晶圓級相機模組之一圖解說明。

圖2圖解說明根據本發明之教示包含具有一間隔件之一透鏡堆疊之一實例性晶圓級相機模組，該間隔件具有界定一步階及接納一影像感測器之一凹部之一經薄化壁。

圖3圖解說明根據本發明之教示包含於一實例性晶圓級相機模組中之一像素單元之一實例性示意圖。

圖4圖解說明根據本發明之教示包含具有一實例性透鏡堆疊之一實例性晶圓級相機模組之一成像系統之一實例。

如將展示，揭示根據本發明之教示提供包含具有一間隔件之一透鏡堆疊之一晶圓級相機模組之方法及裝置，該間隔件具有界定一步階及接納一影像感測器之一凹部之一經薄化壁。在以下說明中，陳述眾多特定細節以便提供對本發明之一透徹理解。然而，熟習此項技術者將明瞭，不需要採用該特定細節來實踐本發明。在其他例項中，尚未詳細闡述眾所周知之材料或方法以便避免使本發明模糊。

貫穿本說明書對「一項實施例」、「一實施例」、「一項實例」或「一實例」之提及意指結合該實施例或實例所闡述之一特定特徵、結構或特性包含於本發明之至少一項實施例中。因此，貫穿本說明書在各種地方中出現之片語「在一項實施例中」、「在一實施例中」、「一項實例」或「一實例」未必全部係指相同實施例或實例。此外，在一或多項實施例或實例中，可以任何適合組合及/或子組合來組合該等特定特徵、結構或特性。特定特徵、結構或特性可包含於一積體電路、一電子電路、一組合式邏輯電路或提供所闡述功能性之其他適合組件中。另外，應瞭解，隨本文提供之各圖係出於向熟習此項技術者解釋之目的且圖式未必按比例繪製。

揭示根據本發明之教示關於包含具有一間隔件之一透鏡堆疊之 一晶圓級相機模組之實例性方法及設備，該間隔件具有界定一步階及接納一影像感測器之一凹部之一經薄化壁。如將瞭解，根據本發明之教示之一晶圓級相機模組及晶圓級相機模組組裝方法可提供具有減小之大小、減小之組裝週期時間及因此減小之生產成本之晶圓級相機模組。另外，根據本發明之教示之所揭示晶圓級相機模組之實例具有可在典型晶圓級相機模組中發現之減小之光洩露。

為了圖解說明，圖1係一典型晶圓級相機模組100之一示意圖。如所展示，晶圓級相機模組100包含一透鏡堆疊104及一影像感測器102。圖1展示透鏡堆疊104包含由玻璃晶圓108及114及/或間隔件106及112分離之數個透鏡110及116。透鏡堆疊104安置於一影像感測器102上。圖1中之透鏡堆疊104藉由封圍於亦可稱作一固持件之一筒118內而相對於影像感測器102固持於適當位置中，如所展示。

圖1展示透鏡堆疊104具有相對於影像感測器102之懸垂部。在影像感測器102之大小增加時，晶圓級相機模組100之大小甚至進一步增加，此乃因筒118或固持件由於筒118之大側壁厚度而添加額外厚度。此外，需要額外組裝步驟來將透鏡堆疊104及影像感測器102放置於筒118中，此增加晶圓相機模組100之組裝週期時間。因此，包含筒118增加了晶圓相機模組100之總體成本。圖1亦圖解說明由於接近於影像感測器102緊鄰透鏡堆疊104相對於影像感測器102之懸垂部之橫向側壁之光洩露122造成之晶圓級相機模組100之一額外缺點，如所展示。

圖2圖解說明根據本發明之教示之一個實例性晶圓級相機模組200。特定而言，圖2展示根據本發明之教示包含具有一間隔件206之一透鏡堆疊204之實例性晶圓級相機模組200，間隔件206具有界定一步階226及接納一影像感測器202之一凹部228之一經薄化壁224。如在所繪示實例中所展示，根據本發明之教示，影像感測器202在間隔件206之凹部228內接合至步階226，使得影像感測器202完全接納於間隔 件之凹部228內。在一項實例中，複數個焊料球224包含於影像感測器202上與間隔件206相對(如所展示)以提供至包含於影像感測器202內之電路之電連接。

如在圖2中所繪示之實例中所展示，影像感測器202接納至位於透鏡堆疊204之間隔件206之一端處之凹部228中。在一項實例中，透鏡堆疊204亦包含安裝於間隔件206之相對端處之一玻璃晶圓208。在所圖解說明實例中，一或多個透鏡210安裝於玻璃晶圓208上，如所展示。在一項實例中，透鏡堆疊204亦包含另一間隔件212，間隔件212安裝至玻璃晶圓208，使得玻璃晶圓208安置於間隔件206與間隔件212之間，如所展示。另外，一玻璃晶圓214安裝於間隔件212上，使得間隔件212安置於玻璃晶圓208與玻璃晶圓214之間，如所展示。在所圖解說明實例中，一或多個透鏡216安裝於玻璃晶圓214上(如所展示)，使得將透過透鏡210及216將光220引導至影像感測器202。在一項實例中，間隔件206及212可使用樹脂、塑膠、玻璃或其他適合材料中之一或多者構建。在一項實例中，用於構建具備間隔件206之步階式感測器固持件之材料可係具有提供增加之強度以固持影像感測器202之一不同結構之一不同材料。

如在圖2中所繪示之實例中所展示，由於影像感測器202完全接納於間隔件206之凹部228內，因此影像感測器202之橫向側壁由間隔件206之經薄化壁224完全封圍。因此，如與(舉例而言)圖1中所圖解說明之在晶圓級相機模組100中接近於影像感測器102之橫向側壁之處所發現之光洩露122相比，間隔件206之經薄化壁224完全阻擋接近於影像感測器202之橫向側壁之所有光洩露。此外，如與(舉例而言)在圖1中在晶圓級相機模組100中需要筒118來將透鏡堆疊104固持至影像感測器102相比，在影像感測器202完全接納於間隔件206之凹部228內(如所展示)之情況下，應瞭解，透鏡堆疊204因此在不憑藉一筒之情 況下附接至影像感測器202。因此，晶圓級相機模組200可提供之益處包含一減小之模組大小，此乃因一筒118對將影像感測器202固持至透鏡堆疊204不再係必要的。另外，晶圓級相機模組200之成本由於需要較少部件及製造步驟(例如，無筒118及相關聯步驟)而減小，此允許利用減小製造時間以及製造成本之簡化製造方法(諸如(舉例而言)一拾取與放置自動化方法)來構建晶圓級相機模組200。

圖3圖解說明根據本發明之教示可包含於一實例性晶圓級相機模組中之一像素單元330之一實例性示意圖。在所繪示實例中，根據本發明之教示，像素單元330圖解說明為包含於影像感測器中之一個四電晶體(「4T」)像素單元。應瞭解，像素單元330係用於實施圖2之影像感測器202內之每一像素單元之像素電路架構之一個可能實例。然而，應瞭解，根據本發明之教示之其他實例不必限於4T像素架構。受益於本發明之熟習此項技術者將理解，根據本發明之教示，本發明教示亦適用於3T設計、5T設計及各種其他像素架構。

在圖3中所繪示之實例中，像素單元330包含用以累積影像電荷之一光電二極體(「PD」)332、一傳送電晶體T1 334、一重設電晶體T2 336、一浮動擴散部(「FD」)338、一源極隨耦器(「SF」)電晶體T3 340及一選擇電晶體T4 342。在操作期間，傳送電晶體T1 334接收一傳送信號TX，傳送電晶體將在光電二極體PD 332中累積之影像電荷傳送至浮動擴散部FD 338。在一項實例中，浮動擴散部FD 338可耦合至用於暫時儲存影像電荷之一儲存電容器。如在所圖解說明實例中所展示，重設電晶體T2 336耦合於一電力軌VDD與浮動擴散部FD 338之間以回應於一重設信號RST而重設像素單元330(例如，將浮動擴散部FD 338及光電二極體PD 332放電或充電至一預設電壓)。浮動擴散部FD 338經耦合以控制SF電晶體T3 340之閘極。SF電晶體T3 340耦合於電力軌VDD與選擇電晶體T4 342之間。SF電晶體T3 340操作為提供 至浮動擴散部FD 338之一高阻抗連接之一源極隨耦器放大器。選擇電晶體T4 342回應於一選擇信號SEL而將像素單元330之輸出選擇性地耦合至讀出行位元線344。

在一項實例中，TX信號、RST信號、SEL信號及選擇性地耦合至深溝渠隔離部之讀出脈衝電壓係由控制電路而產生，下文將進一步詳細地闡述該控制電路之一實例。在其中包含像素單元330之影像感測器以一全域快門操作之一實例中，全域快門信號耦合至影像感測器中之每一傳送電晶體T1 334之閘極以自每一像素之光電二極體PD 332同時開始電荷傳送。另一選擇係，根據本發明之教示，可將滾動快門信號應用於傳送電晶體T1 334之群組。

圖4圖解說明根據本發明之教示包含具有一實例性透鏡堆疊404之一實例性晶圓級相機模組之一成像系統446之一實例。如在所繪示實例中所展示，成像系統446包含耦合至控制電路452及讀出電路448之影像感測器402，讀出電路448耦合至功能邏輯450。在所圖解說明實例中，根據本發明之教示，透鏡堆疊404安裝於影像感測器402上方，使得將透過透鏡堆疊404引導光420以將一影像聚焦至影像感測器402上。在一項實例中，應瞭解，圖4之透鏡堆疊404係圖2之透鏡堆疊204之一實例，且下文所提及之經類似命名及編號之元件類似於上文所闡述而經耦合並起作用。

在一項實例中，影像感測器402包含係像素單元(例如，像素單元P1、P2...、Pn)之一個二維(2D)陣列之一像素陣列。在一項實例中，每一像素單元係一CMOS成像像素。應注意，影像感測器402中之像素單元P1、P2、...Pn可係圖3之像素單元330之實例，且下文所提及之經類似命名及編號之元件類似於上文所闡述而經耦合並起作用。如所圖解說明，每一像素單元配置至一列(例如，列R1至Ry)及一行(例如，行C1至Cx)中以獲取一人、地方、物件等之影像資料，然後可使 用該影像資料來再現該人、地方、物件等之一2D影像。

在一項實例中，在每一像素單元已累積其影像資料或影像電荷之後，該影像資料由讀出電路448透過讀出行位元線444讀出且然後傳送至功能邏輯450。在各種實例中，讀出電路448可包含放大電路、類比轉數位(ADC)轉換電路或其他。功能邏輯450可簡單地儲存該影像資料或甚至藉由應用後影像效應(例如，剪裁、旋轉、移除紅眼、調整亮度、調整對比度或其他)來操縱該影像資料。在一項實例中，讀出電路448可沿著讀出行位元線444(所圖解說明)一次讀出一列影像資料或可使用諸如一串行讀出或對所有像素同時進行之一全並行讀出之各種其他技術(未圖解說明)來讀出影像資料。

在一項實例中，控制電路452耦合至影像感測器402以控制影像感測器402之操作特性。舉例而言，控制電路452可產生用於控制影像獲取之一快門信號。在一項實例中，該快門信號係用於同時啟用影像感測器402內之所有像素單元以在一單個獲取窗期間同時擷取其各別影像資料之一全域快門信號。在另一實例中，該快門信號係一滾動快門信號，使得在連續獲取窗期間依序啟用每一像素列、每一像素行或每一像素群組。

包含發明摘要中所闡述內容之本發明之所圖解說明實例之上文說明並不意欲窮盡性或限於所揭示之精確形式。雖然本文中出於說明性目的而闡述本發明之特定實施例及實例，但在不背離本發明之較寬廣精神及範疇之情況下，各種等效修改係可能的。事實上，應瞭解，特定實例性電壓、電流、頻率、功率範圍值、時間等係出於解釋目的而提供，且在根據本發明之教示之其他實施例及實例中亦可採用其他值。

可鑒於上文詳細說明對本發明之實例做出此等修改。隨附申請專利範圍中所使用之術語不應解釋為將本發明限於說明書及申請專利 範圍中所揭示之特定實施例。而是，本發明之範疇將完全由隨附申請專利範圍確定，申請專利範圍將根據請求項解釋之所建置原則來加以理解。本說明書及各圖因此應視為圖解說明性而非限定性。

200‧‧‧實例性晶圓級相機模組/晶圓級相機模組

202‧‧‧影像感測器

204‧‧‧透鏡堆疊

206‧‧‧間隔件

208‧‧‧玻璃晶圓

210‧‧‧透鏡

212‧‧‧間隔件/玻璃晶圓

214‧‧‧玻璃晶圓

216‧‧‧透鏡

220‧‧‧光

224‧‧‧經薄化壁/焊料球

226‧‧‧步階

228‧‧‧凹部

Claims (15)

1. 一種影像感測裝置，其包括：一影像感測器；一間隔件，其具有在該間隔件之一第一端處之一內部壁中界定一步階及一凹部之一經薄化壁，其中該影像感測器在該間隔件之該凹部內接合至該步階，使得該影像感測器完全接納於該間隔件之該凹部內，其中該影像感測器之橫向側壁由該間隔件之該經薄化壁完全封圍；一玻璃晶圓，其安裝於該間隔件之一第二端上；及一透鏡，其安裝於該玻璃晶圓上，其中將透過該透鏡將光引導至該影像感測器。
2. 如請求項1之影像感測裝置，其中該間隔件之該經薄化壁完全阻擋接近於該影像感測器之該等橫向側壁之所有光洩露。
3. 如請求項1之影像感測裝置，其進一步包括在與該間隔件相對的該影像感測器之一側上安裝至該影像感測器之複數個焊料球。
4. 如請求項1之影像感測裝置，其中該間隔件係一第一間隔件，該玻璃晶圓係一第一玻璃晶圓，且該透鏡係一第一透鏡，其中該裝置進一步包括：一第二間隔件，其安裝至該第一玻璃晶圓，使得該第一玻璃晶圓安置於該第一間隔件與該第二間隔件之間；一第二玻璃晶圓，其安裝至該第二間隔件，使得該第二間隔件安置於該第一玻璃晶圓與該第二玻璃晶圓之間；及一第二透鏡，其安裝於該第二玻璃晶圓上，其中將透過該第二透鏡及該第一透鏡將光引導至該影像感測器。
5. 如請求項4之影像感測裝置，其中該第一透鏡及該第二透鏡係安 裝至該第一玻璃晶圓及該第二玻璃晶圓之複數個透鏡中之兩者。
6. 如請求項1之影像感測裝置，其中該間隔件包括樹脂、塑膠及玻璃中之至少一者。
7. 如請求項1之影像感測裝置，其中該間隔件、該玻璃晶圓及該透鏡包含於一透鏡堆疊中，其中該透鏡堆疊在不憑藉一筒之情況下附接至該影像感測器。
8. 一種成像系統，其包括：一影像感測器，其包含具有配置於其中之複數個像素單元之一像素陣列；一間隔件，其具有在該間隔件之一第一端處之一內部壁中界定一步階及一凹部之一經薄化壁，其中該影像感測器在該間隔件之該凹部內接合至該步階，使得該影像感測器係完全地接納於該間隔件之該凹部內，其中該影像感測器之橫向側壁由該間隔件之該經薄化壁完全封圍；一玻璃晶圓，其安裝於該間隔件之一第二端上；及一透鏡，其安裝於該玻璃晶圓上，其中將透過該透鏡將光引導至該影像感測器；控制電路，其耦合至該像素陣列以控制該像素陣列之操作；及讀出電路，其耦合至該像素陣列以自該複數個像素單元讀出影像資料。
9. 如請求項8之成像系統，其進一步包括耦合至該讀出電路以儲存自該複數個像素單元讀出之該影像資料之功能邏輯。
10. 如請求項8之成像系統，其中該間隔件之該經薄化壁完全阻擋接近於該影像感測器之該等橫向側壁之所有光洩露。
11. 如請求項8之成像系統，其進一步包括在與該間隔件相對的該影 像感測器之一側上安裝至該影像感測器之複數個焊料球。
12. 如請求項8之成像系統，其中該間隔件係一第一間隔件，該玻璃晶圓係一第一玻璃晶圓，且該透鏡係一第一透鏡，其中該裝置進一步包括：一第二間隔件，其安裝至該第一玻璃晶圓，使得該第一玻璃晶圓安置於該第一間隔件與該第二間隔件之間；一第二玻璃晶圓，其安裝至該第二間隔件，使得該第二間隔件安置於該第一玻璃晶圓與該第二玻璃晶圓之間；及一第二透鏡，其安裝於該第二玻璃晶圓上，其中將透過該第二透鏡及該第一透鏡將光引導至該影像感測器。
13. 如請求項12之成像系統，其中該第一透鏡及該第二透鏡係安裝至該第一玻璃晶圓及該第二玻璃晶圓之複數個透鏡中之兩者。
14. 如請求項8之成像系統，其中該間隔件包括樹脂、塑膠及玻璃中之至少一者。
15. 如請求項8之成像系統，其中該間隔件、該玻璃晶圓及該透鏡包含於一透鏡堆疊中，其中該透鏡堆疊在不憑藉一筒之情況下附接至該影像感測器。