TWI382753B - 具有整合式閃光燈之可回銲相機模組 - Google Patents

具有整合式閃光燈之可回銲相機模組 Download PDF

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Description

具有整合式閃光燈之可回銲相機模組
本發明大致上係關於一種影像感測器設置於可回銲封裝(reflowable package)中之相機模組。更具體而言，本發明係關於一種提供閃光燈(flash)在其中使用之可回銲相機模組。
許多手機包含一內建數位相機/攝影機(digital camera)，如數位相機(DSC，digital still camera)。具有內建數位相機之手機一般亦可稱為照相手機(camera-phones)。某些照相手機亦包含電子閃光單元(electronic flash unit)以使得照相手機之使用者可在不同燈光條件下皆照出高品質的照片。
在照相手機中使用白光發光二極體(white-light Light Emitting Diodes)作為閃光單元正逐漸引起大眾興趣。部分之原因為白光發光二極體(LEDs)實際上可顯著提升其發光效能。另一引起大眾對於白光發光二極體(LEDs)興趣之因素為氙氣管(xenon tube)閃光單元之微型化(miniaturization)並未如手機製造商對於某些應用上所要求者來得成功。例如，飛利浦露明光學公司(Philips Lumileds Lighting Company)所發表之參考設計DR01即為將白光發光二極體(LEDs)應用於數位相機(DSC)及照相手機之閃光燈。露明光學之參考設計DR01係為以Luxeon發光二極體(LED)技術為基礎之閃光模組(一種「Luxeon閃光燈(LuxeonFlash)」)。Luxeon閃光模組係為發光二極體晶片設置於一次座(submount)上之單元。其後，上述次座係直接設置於一印刷電路板(PCB，printed circuit board)上。
在如照相手機之小型消費性產品中使用白光發光二極體(LED)作為閃光燈之缺點為其係增加成本且在設計手機時需要考慮額外之空間以容納該白光發光二極體(LED)。一習知白光發光二極體(LED)閃光單元，例如Luxeon閃光燈，係為一額外單元，故在製作如照相手機之消費性相機產品時增加了所需之製造及封裝之步驟。
因此，在上述問題之啟發下，本發明發展出後述之裝置、系統及方法。
本發明係揭露一種可回銲(reflowable)相機模組，其中包含一影像感測器(image sensor)及設置於一通用載體(carrier)且與一鏡片元件封裝在一起之整合式閃光燈(integrated flash)。在一實施中，上述閃光燈為白光發光二極體(white-light LED)。上述相機模組中係提供光隔離(optical isolation)以避免閃光燈之漫射光(stray light)破壞影像品質。
在一實施中，使用晶片尺寸封裝(CSP，Chip Scale Package)之製程以形成上述可回銲(reflowable)相機模組。影像感測器及發光二極體(LED)係共同封裝在一通用晶片尺寸封裝內，其中通用晶片尺寸封裝具有分別的電性聯接以聯接影像感測器及發光二極體(LED)。一通用玻璃覆蓋層(glass capping layer)係覆蓋於上述影像感測器及發光二極體(LED)上。光隔離則形成於玻璃覆蓋層內以防止發光二極體(LED)之漫射光(雜散光)降低影像品質。在一實施中，利用形成於玻璃覆蓋層內之光障壁(optical barrier)以作為光隔離。在另一實施中，利用形成於玻璃覆蓋層內之光導(light guide)作為光隔離。
圖一係為相機模組100之側視圖，其具有影像感測器105設置於晶片尺寸封裝(CSP)載體110之頂面112。晶片尺寸封裝(CSP)係為一種類型之積體電路載體。一般而言，現今晶片尺寸封裝(CSP)之面積通常不大於其晶粒尺寸之約1.2倍，及/或球節距(ball pitch)不大於1公厘(mm)。
影像感測器105係為一半導體晶粒，其中一感光像素陣列形成於其上(例如一感光影像陣列106)。在一實例中，影像感測器105可為互補金氧半導體(CMOS)影像感測器以擷取數位影像。
晶片尺寸封裝(CSP)載體110係形成可回銲(reflowable)相機模組100之基底；亦即相機模組具有銲接區(solder regions)之底面114，其中利用銲接回銲(solder reflow)技術可將該銲接區回銲至一印刷電路板上(未圖示)。在一實例中，CSP載體110可包含形成於CSP載體110內之接觸區(contact regions)115以使得底面114與母板(未圖示)間具有電性聯接。在一實施中，球狀柵極陣列(BGA，Ball Grid Array)之銲錫球(solder balls)係用以形成與印刷電路母板間之銲接接合點(solder joint)。
本發明之閃光燈係整合入相機模組100中。閃光燈之實施例以整合入相機模組100中之發光二極體(LED)130作為發光二極體(LED)閃光燈為較佳。發光二極體130係設置於晶片尺寸封裝(CSP)載體110，而CSP載體110中之電性聯接(未圖示)可用以向發光二極體130供電及提供同步信號(synchronization signals)。在一實施例中，發光二極體130係使用單一白光發光二極體(LED)。然而，其應可理解為其他設置亦可被實施，如複數個發光二極體(LEDs)。發光二極體(LED)130可包含其本身之鏡片元件(未圖示)。擇一形式實施者為，在玻璃覆蓋層(glass capping layer)120內及/或設置於相機模組100之頂端亦可包含另一額外鏡片用以聚焦由相機中之發光二極體(LED)所射出之光。
相機模組100之製作以晶圓級晶片尺寸封裝(wafer level CSP)之製程為較佳，其中在晶圓切割為個別單元前以光學(玻璃)覆蓋層120覆蓋住整個晶圓。晶圓級鏡片元件122係形成於相機模組之玻璃覆蓋層120內以聚焦光線至影像感測器105之像素(pixels)上。由Hiltunen所發表之美國專利公開號第20070052827號「塗佈晶圓級照相機模組及其方法(Coated Wafer Level Camera Modules and Associated Methods)」中揭露了設計晶圓級晶片尺寸封裝相機模組之一般原則，爰將此專利列入以作為參考文獻。然而，根據本發明，標準晶圓級晶片尺寸封裝相機模組製程之差異在黏合玻璃覆蓋層120之前，發光二極體(LEDs)130及影像感測器105二者以設置於晶圓級晶片尺寸封裝(CSP)載體110為較佳。
相機模組100因光學之故係分為閃光燈部分135及影像感測部分140。相機模組100之閃光燈部分135與影像感測部分140間係為光學上隔離。換言之，在光功率位準(optical power level)下防止發光二極體130在閃光燈模式下所產生之漫射光(stray light)進入影像感測器105而避免破壞影像品質。習知發光二極體(LEDs)所發射之光通常具有顯著的角輻散(angular divergence)。此外，當照相打閃光燈時，發光二極體130之發射光功率位準可顯著高於影像感測器105之接收光功率位準。因此，閃光燈部分135與影像感測部分140間之光隔離係為必需以防止發光二極體130所產生之過多漫射光(雜散光)進入影像感測器105。
在一實施中，光隔離之提供包括將閃光燈部分135與影像感測部分140以光障壁(optical barrier)148分隔為光學上分離之部分。在一實例中，光障壁148可為實體層，可藉由吸收或反射以阻隔光之傳送。例如，在一晶圓級晶片尺寸封裝製程之實施例中，光障壁148之製作首先在玻璃覆蓋層120內形成一凹孔(cavity)。接著，上述凹孔內可塗布一塗層(coating)以作為光障壁148。更具體而言，在一實施例中，切割玻璃覆蓋層120之切口係形成一凹孔，其中塗布了一金屬層。根據所用金屬之特性，該金屬將會光學上反射或吸收發光二極體(LED)130所產生之發射波長。在切割口形成一金屬層之優點為其製程步驟與晶圓級晶片尺寸封裝(CSP)相機模組之其他製程步驟可相容。然而，應可理解為其他可在玻璃覆蓋層120內形成一凹孔之製程步驟亦可用以取代切割一切口。再者，其他種類之材料亦可塗布於上述切口內以作為光障壁，例如一種具有不同材料組成之多層塗層。
擇一形式實施方式，光隔離(optical isolation)之提供為利用折射率之不同以導引來自閃光燈部分135之光線遠離影像感測部分140。在此實施例中，光障壁148包含一或多個光導(light guides)，如光導管(light pipes)。上述光導，例如光導管，係利用內反射(internal reflection)來引導光線。誠如熟習光學領域技術者所知，當光線自折射率較高之光介質穿越至折射率較低之光介質時會發生內反射，例如光線自玻璃進入空氣。更具體而言，當入射角大於一臨界角(critical angle)時全內反射(total internal reflection)即可發生。光導管係利用多重內反射(internal reflection)以導引光線。經由在閃光燈部分135之玻璃覆蓋層120內形成一或多個孔洞(凹孔)，可使得玻璃覆蓋層120內包含一或多個光導管以避免發光二極體130所產生之漫射光(或雜散光)進入相機模組之影像感測部分140。當思及光導管之手段時，應可理解其目的為在會破壞影像品質之功率位準(power level)下，防止發光二極體130所產生之漫射光進入相機模組100之影像感測部分140。因此，光導管之光學特性可能與理想的光導管稍微差異。特別地是，只要光導管與其他組件相連而提供充足之光學上隔離，光導管之光學特性可能與100%光學導引(在光導管內部)稍微差異。因此，熟習此領域技術者將可理解利用光導引與一實體障壁層之組合亦可提供光隔離。舉例而言，如果有額外充分之光吸收以降低漫射光(或雜散光)至可接受之程度，則不完美之光導引亦可被容忍。上述將可放寬對於光導管之光學需求，如此全內反射可為非必須。
圖二係為相機模組100之俯視圖。如圖二所示，光障壁148以延伸至相機模組100之整體閃光燈部分135附近為較佳。
圖三係為相機模組100之仰視圖。在一實施中，銲錫球接觸墊(solder ball contact pads)117係形成於載體之底面以使得影像感測器105及發光二極體130二者皆與載體保持電性聯接。例如，某些銲錫球接觸墊之設置可用以同步化及供電至發光二極體130。例如，銲錫球接觸墊可於球狀柵極陣列(BGA，Ball Grid Array)製程中配置而用以將相機模組100設置於一母板(未圖示)。
本發明之一優點為改進了高需求消費性應用裝置之可製造性，如照相手機。具有整合式閃光燈之可回銲相機模組利用一般的銲接回銲(solder reflow)製程可使得影像感測器及閃光燈二者皆與母板保持電性聯接。
圖四係為相機模組100應用於照相手機400之示例圖。相機模組100由虛線所描繪，且可利用如前所述之銲接回銲製程將其接合至照相手機400之一母板(未圖示)。就消費者之角度而言，照相手機400之終端使用者即使在週遭光線條件不佳時，仍可使用同時具有相機及閃光燈之照相手機以改善影像品質。然而，本發明中具有整合式發光二極體閃光燈(integrated LED flash)之相機模組100減少了必須組裝之分離單元之數目，亦降低了製作成本。此外，由於發光二極體(LED)使用相同之晶片尺寸封裝(CSP)載體，亦有可能減小所有組件之總體積，此亦利於小型消費性裝置之製造。再者，相機模組100與一銲接回銲(solder reflow)製程係為可相容以設置影像感測器105及發光二極體130於母板，減少了製程之步驟數。
前述之示例係利用發光二極體(LED)作為閃光燈，然而，須理解本發明亦可使用其他可和影像感測器一同封裝於晶片尺寸封裝(CSP)載體之高效能微型光源。舉例而言，業界正積極研究其他類型之光子元件(如半導體雷射)，最終可能成為白光發光二極體(LEDs)之商用替代方案。
前述因說明之目的而採用特定術語以便充分理解本發明。然而，對熟悉此領域技術者而言，特定之細節明顯非實施本發明所必須。因此，上述對本發明特定實施例之描述僅為說明示例之用。然其並非窮舉式之描述亦非用以限定本發明為所揭露之精確形式；基於上述啟示，很明顯地，許多修改及變化亦可被實施。選擇並說明上述實施例以最佳闡釋本發明之原則及其實際應用，以利於其他熟悉此領域技術者得以對本發明作最佳利用，以及具有各種修改之各種實施例可適合於特定之預期用途。本發明之範疇以後述之「申請專利範圍」及其等同所述為準。
100．．．相機模組
105．．．影像感測器
106．．．感光影像陣列
110．．．載體
112．．．頂面
114．．．底面
115．．．接觸區
117．．．銲錫球接觸墊
120．．．玻璃覆蓋層
122．．．鏡片元件
130．．．發光二極體(LED)
135．．．閃光燈部分
140．．．影像感測部分
148．．．光障壁(optical barrier)
400．．．照相手機
本發明之詳述結合相對應之附圖將更清楚地闡釋本發明，其中：
圖一係為根據本發明一實施例中具有整合式閃光燈之可回銲相機模組之側視圖；
圖二係為根據本發明一實施例中上述相機模組之俯視圖；
圖三係為根據本發明一實施例中上述相機模組之仰視圖；以及
圖四係為根據本發明一實施例中上述相機模組應用於一手機之示例圖。
相同的元件符號將用以表示各圖中相對應之元件。
100．．．相機模組
105．．．影像感測器
106．．．感光影像陣列
110．．．載體
112．．．頂面
114．．．底面
115．．．接觸區
120．．．玻璃覆蓋層
122．．．鏡片元件
130．．．發光二極體(LED)
135．．．閃光燈部分
140．．．影像感測部分
148．．．光障壁

Claims (23)

  1. 一種相機模組，包含：一影像感測器，位於該相機模組之第一部分以擷取數位影像；以及一閃光燈，位於該相機模組之第二部分；該影像感測器及該閃光燈係設置於一共用載體，其中該相機模組在光學上隔離該相機模組之該第一部分與該相機模組之該第二部分；其中該相機模組係為可回銲相機模組，該共用載體係為晶片尺寸封裝(CSP)載體。
  2. 如請求項1所述之相機模組，其中該閃光燈包括發光二極體(LED)。
  3. 如請求項2所述之相機模組，其中該載體包含分別聯接至該影像感測器及該發光二極體(LED)之電性聯接。
  4. 如請求項2所述之相機模組，其中該相機模組包含一玻璃覆蓋層以覆蓋該發光二極體(LED)及該影像感測器。
  5. 如請求項4所述之相機模組，其中一光障壁係形成於該玻璃覆蓋層內以光學隔離該發光二極體(LED)與該影像感測器。
  6. 如請求項4所述之相機模組，其中至少一光導管形成於該玻璃覆蓋層內以光學上隔離該發光二極體(LED)與該影像感測器。
  7. 如請求項4所述之相機模組，其中該玻璃覆蓋層包含至少一鏡片元件以供該影像感測器使用。
  8. 一種相機模組，包含：一晶片尺寸封裝(CSP)載體；一影像感測器，設置於該晶片尺寸封裝(CSP)載體之第一部分；一發光二極體(LED)，設置於該晶片尺寸封裝(CSP)載體之第二部分以作為相機閃光燈；以及一光障壁，設置於該相機模組中以避免該發光二極體(LED)在閃光燈模式下所產生之漫射光破壞影像品質。
  9. 如請求項8所述之相機模組，更包含一玻璃覆蓋層以覆蓋該影像感測器及該發光二極體(LED)。
  10. 如請求項9所述之相機模組，其中利用一晶圓級晶片尺寸封裝(CSP)製程以形成該玻璃覆蓋層，該玻璃覆蓋層包含至少一鏡片元件以供該影像感測器使用。
  11. 如請求項9所述之相機模組，其中該光障壁包括形成 於該玻璃覆蓋層內之光障壁。
  12. 如請求項11所述之相機模組，其中該光障壁包括形成於該玻璃覆蓋層內一凹孔之塗布金屬。
  13. 如請求項11所述之相機模組，其中該光障壁包含至少一區域，其中係利用內反射以避免該發光二極體(LED)所產生之光進入該影像感測器。
  14. 如請求項11所述之相機模組，其中該光障壁包括形成於該玻璃覆蓋層內之至少一光導管。
  15. 如請求項8所述之相機模組，其中該載體包含分別聯接至該發光二極體(LED)及該影像感測器之電性聯接。
  16. 一種相機模組，包含：一影像感測器；一發光二極體(LED)，作為一相機閃光燈；該影像感測器及該發光二極體(LED)係設置於一共用晶片尺寸封裝(CSP)載體，其中該載體包含分別的電性聯接以聯接至該影像感測器及該發光二極體(LED)；一共用玻璃覆蓋層，覆蓋該影像感測器及該發光二極體(LED)；以及光隔離，設置於該玻璃覆蓋層內以防止該發光二極體 (LED)所產生之漫射光降低影像品質；該晶片尺寸封裝(CSP)載體在可回銲相機模組中作為一基底。
  17. 如請求項16所述之相機模組，其中該光隔離包括形成於該玻璃覆蓋層內之至少一光導管。
  18. 如請求項16所述之相機模組，其中該光隔離包括形成於該玻璃覆蓋層內之一光障壁區域。
  19. 如請求項16所述之相機模組，其中該相機模組係設置於一照像手機內。
  20. 一種形成相機模組之方法，包含：設置一影像感測器於一晶片尺寸封裝(CSP)載體之第一部分；設置一發光二極體(LED)於該晶片尺寸封裝(CSP)載體之第二部分；以及在一玻璃覆蓋層內形成光隔離以光學上隔離該第一部分與該第二部分。
  21. 如請求項20所述之形成相機模組之方法，其中利用一晶圓級製程以形成該相機模組，該方法包含在晶圓層級形成該影像感測器及該發光二極體(LED)，且切割該 晶圓為個別之相機模組。
  22. 一種製造具有一影像感測器及一閃光燈之消費性裝置之方法，包含：提供一包含一影像感測器及一發光二極體(LED)閃光燈之可回銲相機模組，其中該影像感測器及該發光二極體(LED)閃光燈係設置於一共用載體，該可回銲相機模組光學上隔離該影像感測器與該閃光燈；以及利用一銲接回銲製程以設置該可回銲相機模組於一母板。
  23. 如請求項22所述之製造具有一影像感測器及一閃光燈之消費性裝置之方法，其中該消費性裝置係為一照相手機。
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