CN101226949A - 图像感测装置与其封装方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种图像感测装置的封装模块，该封装模块包含基板、第一微光学元件阵列、盖板以及间隔层，其中，该基板上具有光电转换元件阵列，而该第一微光学元件阵列形成于该光电转换元件阵列之上，该盖板上具有第二微光学阵列与该第一微光学阵列元件相对排列，而该间隔层则是设置于该盖板与该基板的接合处，用以控制该基板与该盖板之间的间距，并维持其间距于光学成像***的焦深范围。本发明有效地解决了图像感测装置的感测元件像素间存在的光学干扰问题和图像感测装置小型化问题。

Description

图像感测装置与其封装方法

技术领域

本发明涉及一种图像感测装置，尤其涉及一种图像感测装置的封装结构及其制造方法。

背景技术

随着光电产品的日新月异，对图像传感器的需求不断增加。而目前常见的图像传感器可分为CCD(Charge Coupled Device，电荷藕合器件)与CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor，互补性氧化金属半导体)两大类。然而，无论是CCD或CMOS图像传感器，均是一种半导体感测元件，用以将所感测到的光线转换成电能后，再通过模拟/数字转换器(ADC，Analog to Digital Converter)将电子信号转换为数字信号，再传输至处理芯片进行信号处理，最后形成数字图像输出。而CCD图像传感器与CMOS图像传感器在结构上的最大不同，即为ADC设置的位置和数量上的不同。

另一方面。在实际应用上，不论是CCD或CMOS图像传感器，都是由多个CCD或CMOS图像感测元件而形成一个图像感测阵列，其中，每一个图像传感器通常称之为像素或像元。对一图像传感器而言，像素的多少是影响该图像传感器成像质量的最主要原因之一。一般来说，图像传感器所包含的像素越多，所呈现的图像质量就越清晰。因此，随着半导体工艺技术的迅速发展，在同一感测区域内制造出包含更多像素的图像感测元件，已是本领域中可以轻易达到的一项制造技术。

然而，高像素的图像感测装置在制造技术上已经相当成熟；然而，在同一感测区域内的容纳越来越多的感测元件却开始衍生出另一个问题。请参阅图1，其为公知的感测元件阵列的示意图。如图中所示，该图像感测元件阵列10包括第一微透镜(micro lens)11a、第二微透镜11b、第三微透镜11c，第一彩色滤光片12a、第二彩色滤光片12b、第三彩色滤光片12c，遮光层13，IC堆叠层14，以及第一感光二极管15a、第二感光二极管15b、第三感光二极管15c。在正常的情况下，第一入射光17a经过该第二微透镜11b之后，应该直接投入到该第二感光二极管15b上；然而，当入射光线的角度变大时，较大角度的第二入射光17b便可能经过该第二微透镜11b之后，入射到与该第二感光二极管15b相邻的另一个感光二极管15a，因此开始产生成像干扰，此即为光学串光(optical crosstalk)效应。而随着光感测装置上像素的增加，这种光学串光效应将会变得更加明显。

为了有效地解决前述的光学串光效应所衍生的问题，在公知的技术中，如美国专利公告号US 6,803,250中，其是通过在光感测区域中增设一互补透镜组的方式来达到提高光线入射效率的效果。请参阅图2，其为具有互补透镜组的图像感测元件的结构示意图。如图中所示，该图像感测元件20包含基板21，其上具有光感测区域22，第一介电质层23，其上包含第一导体层24a、24b，第二介电质层25，其上包含第二导体层26a、26b以及第一间隙27，彩色滤光层28及微透镜29设置于最上方。该微透镜29为凸透镜，用以提高入射光束的集光效果，而该微透镜29搭配下方的第一间隙27所形成的凹面结构则可进一步形成互补的双微透镜组，具有将大角度的入射光集束为小角度的效果，然而这种光线集束的效果并无法达到调整入射光束的主光入射角(CRA，chief ray angle)的功效。因此，这样的结构设计对于改善光学串光效应的效果有限。况且，如前所述的双微透镜组的凹面结构形成于第二介电层25上，这对标准的感测元件的制造技术中需额外增加一道凹面结构制造技术，造成额外的制造成本负担。而为了有效克服上述的光学串光效应，本案申请人已于2006年9月27日提出“图像感应装置与其制造方法”的中国台湾专利申请(第094133609号申请案)，其为通过微棱镜的设置，达到修正入射光线的主光角(CRA)的目的，以降低像素之间的光学干扰(串光效应)。该案利用微棱镜之设置达到降低像素之间光学干扰的技术内容，同时也列为本案的主要参考文献。

另一方面，在公知技术中，常见的图像感测装置的封装结构也可能经过特定的设计方式而具有提高入射光束的集光效率的效果。请参阅图3中，其表示一种公知的感测装置的封装结构。如图中所示，该图像感测装置的封装结构30包含基板31，该基板具有图像感测元件阵列32，且该图像感测元件阵列32上还包含微透镜阵列33，用以提高入射该图像感测元件30的光线的集光效率。该图像感测元件阵列32及其微透镜阵列33则是封装于玻璃盖板34与该基板31之间，而且该基板31与该玻璃盖板34通过间隔层(spacerlayer)35的高度来维持该基板31与该玻璃盖板34之间的距离，然而目前产品中的该间隔层的高度通常会维持在三十至五十微米之间，而该高度远大于该感测元件阵列32与该微透镜阵列33所对应的像素尺寸及光学***焦深，因此这样的封装模块设计并不符合光学元件趋向轻薄短小的设计需求。

申请人鉴于已知技术中，图像感测装置的感测元件像素间常常存在光学干扰的问题，且该图像感测装置的封装模块也面临不易微小化的缺点，经过详细试验与研究，并凭借锲而不舍的精神，发明出本发明，以克服图像感测装置的上述缺点。

发明内容

本发明提出了一种图像感测装置的封装模块，该封装模块包含基板、第一微光学元件阵列、盖板以及间隔层，其中，该基板上具有光电转换元件阵列，而该第一微光学元件阵列形成于该光电转换元件阵列之上，该盖板上具有第二微光学阵列与该第一微光学阵列元件相对排列，而该间隔层则是设置于该盖板与该基板的接合处。

根据上述构想，其中该第一微光学元件阵列为微棱镜阵列。

根据上述构想，其中该第一微光学元件阵列为微透镜阵列。

根据上述构想，其中该第二微光学元件阵列为微透镜阵列。

根据上述构想，其中该第二微光学元件阵列为微棱镜阵列。

根据上述构想，其中该盖板由透光材料所构成。

根据上述构想，其中该间隔层高度为该光学转换元件阵列的像素尺寸。

根据上述构想，其中该盖板上还包含至少一透镜组(lens set)，以构成该图像感测装置的光学成像***。

根据上述构想，其中该光学成像***还具有一焦深(depth of focus)范围，且该间距控制在该光学成像***的焦深范围之内。

本发明的另一构想是提出一种图像感测光学***，该图像感测光学***包含图像感测装置的封装模块以及透镜组，其中该图像感测装置的封装模块进一步包含基板、第一微光学元件阵列、盖板以及间隔层。

根据上述构想，其中该基板上还具有光电转换元件阵列，该第一微光学元件阵列形成于该光电转换元件阵列之上，而该盖板上则具有第二微光学阵列与该第一微光学阵列元件相对排列，且该间隔层则是设置于该盖板与该基板的接合处，用以控制该第一微光学阵列与该第二微光学阵列间的间距，另外，该透镜组则是设置于该盖板之上，用以使入射该图像感测光学***的光线成像于该图像感测装置模块中。

根据上述构想，其中该第一微光学元件阵列为微棱镜阵列。

根据上述构想，其中该第一微光学元件阵列为微透镜阵列。

根据上述构想，其中该第二微光学元件阵列为微透镜阵列。

根据上述构想，其中该第二微光学元件阵列为微棱镜阵列。

根据上述构想，其中该盖板由透光材料所构成。

根据上述构想，其中该图像感测光学***具有一焦深范围，且该间距控制在该焦深(depth of focus)范围内。

根据上述构想，其中该间距为该光学转换元件阵列的像素尺寸。

本发明的另一构想是提出一种封装图像感测装置的方法，该方法至少包含下列步骤：(1)提供基板及盖板；(2)于该基板上形成光电转换元件阵列；(3)于该光电转换元件阵列上形成第一微光学元件阵列；(4)于该盖板上形成第二微光学元件阵列；以及(5)接合该基板与该上盖，以使该第微光学元件阵列与该第二微光学元件阵列相对排列。

根据上述构想，其中该第二微光学元件阵列以类似于半导体工艺形成于该盖板上。

根据上述构想，其中在接合该基板与该上盖的步骤时，还包含形成间隔层，以控制该基板与该盖板之间的间距。

根据上述构想，其中该间距为该光电转换元件阵列的单位像素尺寸。

根据上述构想，其中还包含在该盖板上形成至少一透镜组(lens set)的步骤，以构成该图像感测装置的光学成像***。

根据上述构想，其中该光学成像***具有一焦深(depth of focus)范围，且该间距控制在该焦深范围之内。

根据本发明，可有效地解决图像感测装置的感测元件像素间存在的光学干扰问题，以及图像感测装置小型化问题。

通过以下附图说明和具体实施方式对本发明作详细说明，便于更深入地了解本发明。

【图式简单说明】

图1表示根据公知技术中的一种感测元件阵列的示意图。

图2表示根据公知技术中的一种具有互补透镜组的图像感测元件的结构示意图。

图3表示根据公知技术中的一种感测装置的封装结构示意图。

图4A及图4B表示利用增设一微菱镜而达到修整大角度的光线入射角的示意图。

图5A及图5B表示利用增设一微透镜而达到修整大角度的光线入射角的示意图。

图6A及图6B表示根据本发明的第一具体实施例的图像感测装置封装模块结构示意图。

图7A及图7B表示根据本发明的第二具体实施例的图像感测装置封装模块结构示意图。

图8A及图8B表示根据本发明的第三具体实施例的图像感测装置封装模块结构示意图。

图9表示根据本发明的第四具体实施例的一种图像感测光学***。

主要元件附图符号说明：

10        图像感测元件阵列

11a-11c   微透镜                     13       遮光层

12a-12c   彩色滤光片                 14       IC堆叠层

15a-15c   感光二极管                 17a、17b 入射光图像元件

20        图像感测元件

21        基板                       22       光感测区域

23        第一介电质层               24a、24b 第一导体层

25        第二介电质层               26a、26b 第二导体层

27        间隙                       28       彩色滤光层

29        微透镜

30    图像感测装置的封装结构

31    基板                        32   图像感测元件阵列

33    微透镜阵列33                34   玻璃盖板

35    间隔层

40    图像感测装置的单一像素结构

41    微透镜                      42   IC堆叠层

43    感光层                      45   微棱镜

46    微透镜

100、110、120、130、140、150图像感测装置封装模块

101   基板                        102  盖板

103   间隔层                      104  光电感测层

105   第一微光学元件阵列          106  第二微光学元件阵列

200   图像感测光学***

201   透镜组图像                  202  遮光材料

203   隔绝电磁屏蔽材料

具体实施方式

实施例1

请参阅4A及图4B，其表示本发明的一种构想，其利用增设一微菱镜(micro prism)而达到修整大角度的光线入射角的示意图。如图4A中所示，公知的图像感测装置的单一像素结构40设计如前述图1中的感测元件阵列10的像素结构一样，具有微透镜(micro lens)41、IC堆叠层42以及感光层43；而如图4A中所示，虽然该微透镜41的设计能具有一定程度的集光效果，然而当入射光线的角度变大时(也就是主光入射角(CRA)增加时)，光线投射在该感光层43上的位置会越往感光层的外侧偏移，而当主光角的角度大过某一特定值后，入射的光线就会偏移到该像素的感光43层的外侧而投射到其相邻的像素上，因而产生所谓的光学串光(optical crosstalk)效应。而通过如图4B所示的像素结构设计，在该像素结构40上方增设一微棱镜45结构，使大角度的主光入射角(CRA)在经过该微棱镜45时，先修整成较小的入射角，可以有效避免相邻像素之间的干扰情况。因此，这种双微光学镜组的设计为本发明的主要构想之一。

另外，图5A及图5B则是图示说明本发明的另一种构想，其利用增设一微透镜以修整大角度的光线入射角的示意图。在图5A，图像感测装置的像素结构40类似于如图4A中的图像感测装置的像素结构40的设计，具有微透镜41、IC堆叠层42以及感光层43；而其入射光线的主光入射角变大时，光线投射在该感光层43上的位置同样会越往感光层的外侧偏移。而在图5B中，该感测装置的单一像素结构40类似于图4B中的像素结构设计，只不过该微棱镜45的设计由另一微透镜46结构所取代。而从图4B中的光线入射路径图可知，该微透镜46结构同样具有使大角度的主光入射角(CRA)在经过该微透镜46时先修整成较小的入射角的功能，因此能有效避免相邻像素之间的干扰情况。因此，在本发明的目的中，是通过所设计的双微光学镜组(其可为微棱镜、微凸透镜或微凹透镜的任意组合)而达到修整主光入射角的角度以及对入射光束产生集束效果的目的，以有效避免光学串光效应的产生。

由于本发明构建在图像感测装置的双微光学镜组设计的基础上，本案的发明人更进一步提出将该双微光学镜组分别设计在图像感测装置的封装盖板与其硅晶片基板上，以再进一步达到将图像感测装置封装模块有效微小化的目的。下面将针对本发明的前述构想的封装模块的设计，进一步详细说明。

见图6A，其表示本发明的一种图像感测装置封装模块的第一具体实施例。如图中所示，该图像感测装置封装模块100主要包含基板101及盖板102，而在该基板101与该盖板102的接合处则是通过间隔层(spacer)103来控制该基板101与该盖板102之间的距离。此外，在该基板101上还具有光电感测层104，其系由多个光电转换元件(通常为CMOS感测元件或CCD感测元件)所组成的光电转换阵列，而且该光电感测层104上还形成有第一微光学元件阵列105，其中该第一微光学阵列也也包含多个微凹透镜，且使得每一个微凹透镜对应一个或数个光电转换元件，以提升投射到每一光电转换元件的光线的集束效果。另一方面，该盖板102通常由透光材料所构成，其上形成有第二微光学元件阵列106，与该第一微光学元件阵列105相对排列，其中该第二微光学元件阵列106也也包含多个微凹透镜(concave lens)，且每一个微凹透镜对应该第一微光学元件阵列105的每一微凹透镜，以使入射该第一微光学元件阵列105的每一微凹透镜的光束能先经过该第二微光学元件阵列106的微凹透镜调整其主光入射角(CRA)，以达到改善光学串光效应的效果。

在本发明实施例1的图像感测装置封装模块100的另一替代实施例中，如图6B中所示，该图像感测装置封装模块110与前述实施例1中的图像感测装置封装模块100同样包含盖板102、间隔层103、光电感测层104及形成于其上的第一微光学元件阵列105以及与该第一微光学元件阵列相对排列的第二微光学元件阵列106。而该图像感测装置封装模块110与图像感测装置封装模块100的不同之处在于该图像感测装置封装模块110中的该光电感测层104存在于一晶片等级(wafer level)的基板101上，因此该图像感测装置封装模块110可利用晶片级的芯片封装技术(Wafer Level CSP)进行，以进一步有效缩减该图像感测装置封装模块的封装体积。

实施例2

见图7A，其表示本发明的一种图像感测装置封装模块的实施例2。与前述实施例1中的图像感测装置封装模块100相比，根据本发明的实施例2中的图像感测装置封装模块120同样具有几乎相同的构件及配置方式，只不过其中形成在光电感测层104上的第一微光学元件阵列105以及与该第一微光学元件阵列相对排列的第二微光学元件阵列106中采用多个微凸透镜(convex lens)来形成其微光学阵列。此外，如图7B所示，其表示该图像感测装置封装模块120的另一替代实施例。与前述根据图6B的替代实施例相同，在图7B中所示的图像感测装置封装模块130使该光电感测层104形成于一晶片等级(wafer level)的基板101上，因此该图像感测装置封装模块130可利用晶片级的芯片封装技术(Wafer Level CSP)进行，以进一步有效缩减该图像感测装置封装模块的封装体积。

实施例3

如图8A及B所示，其表示本发明的一种图像感测装置封装模块的实施例3及其对应的替代实施例。与前述实施例1和实施例2中的图像感测装置封装模块100及120相比，图8A所示的图像感测装置封装模块140同样具有与前述实施例几乎相同的构件及配置方式，只不过其中形成在光电感测层104上的第一微光学元件阵列105采用多个微凸透镜来形成其微光学阵列，而形成于该盖板102上且与该第一微光学元件阵列相对排列的第二微光学元件阵列106中则采用多个微棱镜(micro prism)来形成其微光学阵列。而如图8B所示图像感测装置封装模块150则是对应图8A中的图像感测封装模块140、且类似于前述根据图6B及图7B中的图像感测装置封装模块110和130，使该光电感测层104形成于一晶片等级(wafer level)的基板101上，因此该图像感测装置封装模块150可利用晶片级的芯片封装技术(WaferLevel CSP)进行，以进一步有效缩减该图像感测装置封装模块的封装体积。

在前述实施例1～3及其替代实施例中，该第一微光学元件阵列105与该第二微光学元件阵列106上的微透镜或微菱镜可以视工艺或应用情况而加以任意组合，不应限于前述所列举的具体实施例的实施方式。此外，该图像感测封装模块100-150中的间隔层103高度可以控制在使该第一微光学元件阵列105与该第二微光学元件阵列106的间距维持在相当于该光电转换元件阵列104的每一像素的像素尺寸大小，以进一步有效缩减该图像感测封装模块100-150的封装体积。

如图9，其表示根据本发明的第四具体实施例的一种图像感测光学***。如图9所示，该图像感测光学***200包含如前述实施例中所述的图像感测装置的封装模块110以及透镜组201。如前所述，该图像感测装置的封装模块110由形成在晶片上的基板101以及盖板102所组成，其中，在该基板101上具有光电转换元件阵列104，且在光电转换元件阵列104之上则形成有第一微光学元件阵列103。另一方面，该图像感测装置的封装模块110的盖板102上则具有第二微光学阵列106与该第一微光学阵列元件103相对排列，而该盖板102与该基板101之间的接合处则形成有间隔层103，用以控制该第一微光学阵列105与该第二微光学阵列106之间的间距。另外，该透镜组201-203则形成于该盖板102之上，用以使入射该图像感测光学***的光线成像于该图像感测装置的封装模块110中。通过上述的图像感测光学***200的设计，该图像感测封装模块110中的间隔层103高度可以调整成使该第一微光学元件阵列105与该第二为光学元件阵列106的间距维持在该透镜组201的焦深(depth of focus)范围之内，以进一步有效缩减该图像感测封装模块110的封装体积。

在较佳的具体实施例中，该图像感测光学***200还包含遮光材料202，设置在该透镜组201的周围，以避免在该透镜组201中传输的光线反射到该透镜组201之外、或受到外界光线入射的干扰，而在该图像感测装置的封装模块110周围则设置有隔绝电磁屏蔽(EMI)材料203，以阻隔电磁波的干扰。另外，在其它替代实施例中，该图像感测装置的封装模块110上的第一与第二微光学阵列当然可以视情况需要替代为微凸透镜或微棱镜的型态，以获得改善光学串光效应的最佳效果。

综合以上所述，本发明提出一种图像感测装置的封装模块及通过这种图像感测装置的封装模块与至少一透镜组所构成的图像感测光学***。而且，上述图像感测封装模块及其所构成的图像感测光学***的制作方法兼容于传统的半导体工艺、集成光学工艺以及半导体封装工艺，以使得该光电转换元件阵列及该第一微光学元件阵列，以及其所对应的该第二光学元件阵列能分别形成于该基板与该盖板上，在通过接合(bonding)工艺完成该图像感封装模块或其光学***的封装程序。然而，必须说明的是，上述实施例仅用以说明本发明的较佳实施方式，然而本发明的范围应不限于该上述具体实施例；本发明可由本领域的技术人员任意进行构思而成诸多修改，然而均不脱离所附权利要求所界定的范围。

Claims (16)

1.一种图像感测装置的封装模块，其特征在于，包含：

基板，其上具有光电转换元件阵列；

第一微光学元件阵列，形成于该光电转换元件阵列之上；

盖板，其上具有第二微光学阵列与该第一微光学阵列元件相对排列；以及

间隔层，置放于该盖板与该基板的接合处，用以控制该基板与该盖板之间的间距。

2.如权利要求1所述的封装模块，其特征在于，该第一微光学元件阵列为微棱镜阵列或微透镜阵列。

3.如权利要求1所述的封装模块，其特征在于，该第二微光学元件阵列为微棱镜阵列或微透镜阵列。

4.如权利要求1所述的封装模块，其特征在于，该第一微光学元件阵列包括多个微凹透镜，且该第二微光学元件阵列包括多个与之对应的微凹透镜。

5.如权利要求1所述的封装模块，其特征在于，该第一微光学元件阵列包括多个微凸透镜，且该第二微光学元件阵列包括多个与之对应的微凸透镜。

6.如权利要求1所述的封装模块，其特征在于，该第一微光学元件阵列包括多个微凸透镜，且该第二微光学元件阵列包括多个与之对应的微棱镜。

7.如权利要求1所述的封装模块，其特征在于，该盖板由透光材料所构成。

8.如权利要求1所述的封装模块，其特征在于，光电转换元件阵列具有多个像素，而该间距与该像素尺寸相等。

9.如权利要求1所述的封装模块，其特征在于，该基板为晶片等级。

10.一种图像感测光学***，其特征在于，包含：

图像感测装置的封装模块，其包含：

基板，其上具有光电转换元件阵列；

第一微光学元件阵列，形成于该光电转换元件阵列之上；

盖板，其上具有第二微光学阵列与该第一微光学阵列元件相对排列；以及

间隔层，置放于该盖板与该基板的接合处，用以控制该第一微光学阵列与该第二微光学阵列间的间距；以及

透镜组，设置于该盖板之上，用以使入射该图像感测光学***的光线成像于该图像感测装置的封装模块中。

11.如权利要求10所述的图像感测光学***，其特征在于，该第一微光学元件阵列为微棱镜阵列或微透镜阵列。

12.如权利要求10所述的图像感测光学***，其特征在于，该第二微光学元件阵列为微棱镜阵列或微透镜阵列。

13.如权利要求10所述的图像感测光学***，其特征在于，

该盖板由透光材料所构成；

该图像感测光学***具有一焦深范围，且该间距控制在该焦深范围内；和/或

该光学转换元件阵列包含多个像素，且该间距与该像素尺寸相等。

14.如权利要求10所述的图像感测光学***，其特征在于，还包括遮光材料，设置在该透镜组的周围。

15.如权利要求10所述的图像感测光学***，其特征在于，还包括隔绝电磁屏蔽，设置在该图像感测装置的封装模块周围。

16.一种封装图像感测装置的方法，其特征在于，包含下列步骤：

提供基板及盖板；

于该基板上形成光电转换元件阵列；

于该光电转换元件阵列上形成第一微光学元件阵列；

于该盖板上形成第二微光学元件阵列；以及接合该基板与该上盖，以使该第一微光学元件阵列与该第二微光学元件阵列相对排列。

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