基于過去在1.7μm像素尺寸的微型CMOS成像器方面所取得的晶圓級封裝突破，目前，德國夫瑯和費可靠性與微集成研究所和Awaiba GmbH公司的研究人員報道了用于內窺鏡的微型CMOS相機。[1]該相機采用“穿透硅通孔”（Through-silicon vias，TSV）設計，從而實現了傳感器和成像光學元件完全在晶圓級的集成。[2]采用這種方法制成的低成本、超微型CMOS相機只有1mm3大小，這無疑使一次性使用的內窺鏡成為現實。 

晶圓級封裝 

       穿透硅通孔技術已經為成像傳感器實現真正的晶圓級封裝提供了顯著幫助。在該技術出現以前，成像傳感器的電氣連接是通過導線實現的，由于光學組件需要同時容納傳感器和橫向伸出的焊絲，因此相機的尺寸較大。對于前端成像器而言，采用倒裝芯片的方法也是不可行的，因為將傳感器粘合到不透明的襯底上，會阻擋來自傳感器的入射光。有了穿透硅通孔技術后，便可以將傳感器的電氣連接移到器件的背面，這樣傳感器的有源區就不會被遮擋。相機的物鏡（包括透鏡、光闌以及濾光片）可以直接置于傳感器芯片上，這樣既能節省空間，又實現了與其他它封裝技術不同的、真正的晶圓級相機。 

        封裝過程從CMOS傳感器開始。首先將傳感器的有源面通過紫外固化膠粘合到玻璃襯底上，然后將CMOS晶圓的厚度加工到40μm。玻璃襯底不僅對傳感器起到保護作用，而且還貫穿于整個加工過程，因此必須在最終相機的光學設計中也對其加以考慮。隨后，在40μm厚的傳感器晶圓的背面，通過等離子體刻蝕法實現穿透硅通孔。刻蝕錐形的穿透硅通孔，可以簡化聚合物交叉介電層的沉積。介電層可以通過自旋涂敷沉積。接下來，通過等離子體刻蝕清除傳感器鋁墊上的氧化物，以實現電氣連接。之后，對器件進行標準化鍍銅，厚度為5μm。最后一步是加工作為鈍化層和凸緣的聚合物層。凸緣通過35μm高的金鍍層實現，也可以采用常規的凸緣冶金技術實現。 

        由于電氣連接移到了成像傳感器的背面，現在微型相機的成像部分或者說是晶圓級光學元件部分能夠得以實現。根據光學設計要求的不同，可以采用多種工藝制造鏡頭。可以利用最原始的金剛石研磨模具，通過聚合物復制微透鏡陣列。如果球面鏡不是太厚，還可以在玻璃中刻蝕。光闌通過結構化鉻層實現。透鏡和光闌分別制造，并膠粘到晶圓上。在集成過程中，大約25,000個微型相機（每個相機有62,500個像素）可以通過一步實現集成（如圖）。考慮到采用光纖束制成的最佳內窺鏡僅有3,000個成像像素，因此上述該集成效果確實令人驚嘆。

       夫瑯和費研究所的項目負責人Martin Wilke表示：“對于那些對相機尺寸有著苛刻要求的應用而言，我們的相機集成技術具有廣闊的前景。目前，我們尚不能將該技術應用于百萬像素手機中，因為進一步增加像素會導致晶圓級光學元件的集成變得十分復雜。但是，我們已經在醫療市場看到了巨大的應用前景，并且也在汽車行業和機器視覺領域發現了一些有趣的應用。” 

作者：Gail Overton

參考文獻 
1. M. Wilke et al., Proc. 7th Intl. Wafer Level Packaging Conf. 2010, Santa Clara, CA, 96–102 (October 2010). 
2. M. Wilke et al., “Prospects and Limits in Wafer-Level-Packaging of Image Sensors,” presented at ECTC 2011 – Electronic Components and Technology Conference, Lake Buena Vista, FL (May 2011).