專利名稱：具有底部腔體和倒裝片裝配的使用晶片級光學器件的小形狀因數(shù)模塊的制作方法
技術領域：
本發(fā)明總體上涉及電子裝置，特別是，涉及數(shù)字相機模塊。更具體地講，本發(fā)明涉
及可以回流焊接到主機裝置的簡化晶片級相機模塊的設計。
背景技術：
數(shù)字相機模塊通常結合在各種主機裝置中。這樣的主機裝置包括移動電話、個人 數(shù)據助理(PDA)和計算機等。因此，消費者對主機裝置中數(shù)字相機模塊的需求繼續(xù)增長。
主機裝置制造商希望數(shù)字相機模塊更小，以便它們可以結合在主機裝置中而不增 加主機裝置的總體尺寸。此外，主機裝置制造商希望相機模塊最低限度地影響主機裝置的 設計。在滿足這些需求中，主機裝置制造商希望相機模塊捕捉盡可能高質量的圖像。當然， 以最小生產成本設計滿足這些需求的相機模塊是相機模塊制造商追求的目標。
傳統(tǒng)的數(shù)字相機模塊通常包括透鏡組件、殼體、印刷電路板(PCB)，和集成的圖像 捕捉裝置(ICD)。典型地，部件分開成形并隨后裝配而形成數(shù)字相機模塊。也就是說，ICD 貼附到PCB，然后殼體貼附到PCB，以便ICD由殼體的底部覆蓋。然后，透鏡組件安裝到殼體 的相對端，以聚焦入射光到ICD的圖像捕捉表面上。典型地，透鏡組件包括傾斜表面(例如， 螺紋、凸輪、斜面等)，該傾斜表面與形成于殼體上的互補的傾斜表面接合，使得通過在殼體 內旋轉透鏡組件而實現(xiàn)適當?shù)木劢埂Ｔ谕哥R組件相對于圖像捕捉表面適當?shù)匚灰浦?，?鏡相對于殼體固定(例如，通過粘接劑、熱焊接等)。ICD電連接到PCB， PCB包括用于ICD 的多個電接觸，以傳輸圖像數(shù)據到主機裝置來處理、顯示和存儲。 在制造這些相機模塊中，相機模塊制造商遇到許多問題。作為一個示例，裸ICD管 芯當暴露于諸如灰塵和/或其它顆粒碎片的污染物時極易受污染。此外，當暴露于相機模 塊裝配中采用的材料(例如，粘接劑)和工藝(例如，殼體貼附、模制、透鏡貼附等)時ICD 極易受影響。污染物典型地導致有缺陷的圖像捕捉裝置的報廢，這可能極其昂貴，尤其是產 率損失較高時。為了最小化污染物，相機模塊必須在等級100的清潔室中裝配。盡管裝配 后的相機模塊的圖像捕捉裝置對于來自相機模塊外的污染物進行了防護，但是它們仍然易 受內在產生的污染物的影響。這種內在污染物通常由滯留的灰塵、粘接劑和/或由相機模 塊內的摩擦磨損形成的顆粒導致。摩擦磨損典型地發(fā)生在組裝工藝中(例如，在聚焦中)。 具體地講，在透鏡組件的傾斜表面相對于殼體的傾斜表面摩擦時形成顆粒。相機裝配后圖 像傳感器的污染可能尤其昂貴，因為可能不得不報廢整個相機模塊。 相機模塊制造商面對的另一個挑戰(zhàn)是相機模塊的部件非常小，因此，需要非常精 密且因此昂貴的制作、裝配和對準工藝。確實，隨著相機模塊部件所需數(shù)量的增加，對準工 藝變得愈加困難。這是由于相機模塊部件之間的嚴格的位置公差與連接圖像捕捉表面到透 鏡的部件的數(shù)量成比例地累積。理想地，透鏡應當全部同軸地垂直于平面圖像捕捉表面的 中心。然而，這典型地僅由下列各項總和限定的預定總公差內來實現(xiàn)，這些項為ICD相對 于PCB的公差，PCB相對于殼體的公差，殼體相對于聚焦/變焦裝置的公差，以及透鏡相對于聚焦/變焦裝置的公差。 作為另一個示范性問題，相機模塊典型地不能回流焊接到主機裝置而不損壞相機 模塊。回流焊接是一個開發(fā)成熟和高效的電子制造工藝。因此，希望能使用回流焊接工藝 來將相機模塊貼附到主機裝置。但是，已知的設備無法承受回流焊接連接。
因此，所需要的是相機模塊更不易受圖像捕捉表面的污染。同樣需要的是相機模 塊可以在透鏡和圖像捕捉表面之間以更寬松的公差裝配。也同樣需要的是相機模塊需要較 少部件和較少的制造步驟。還同樣需要的是相機模塊能承受回流焊接工藝。

發(fā)明內容
本發(fā)明通過提供相機模塊和制造該相機模塊的方法而克服了現(xiàn)有技術的相關問 題，本發(fā)明防護圖像捕捉表面不受污染，具有寬松的裝配公差，并且需要相對較少的部件和 制造步驟。本發(fā)明有利于通過回流焊接工藝在主機系統(tǒng)中安裝相機模塊。
所公開的制造相機模塊的方法包括提供光學元件堆疊；提供頂面帶傳感器陣列 的集成電路圖像捕捉裝置(ICD);剛性貼附光學元件堆疊到圖像捕捉裝置的頂面；提供具 有穿通其的開口和圍繞該開口的凹陷的基板；以及貼附圖像捕捉裝置到基板，使圖像捕捉 裝置的邊緣設置在凹陷中，并且光學元件堆疊延伸通過開口 。該方法還包括提供第二基板 (例如，主機PCB)，并且安裝該基板在第二基板上，以貼附相機模塊到主機裝置。作為選擇， 該基板通過回流焊接工藝安裝到第二基板。 在特定的方法中，貼附圖像捕捉裝置到基板的步驟包括電連接圖像捕捉裝置上的 一組電接觸到基板上的一組互補電接觸。在示范性方法中，電連接該組電接觸到該組互補 電接觸的步驟通過倒裝片管芯貼附工藝(flip-chip dieattach process)完成。另外，基 板包括便于連接該基板到主機裝置電路板的第二組電接觸。 在所公開的示范性方法中，光學元件堆疊在貼附到圖像捕捉裝置的頂面之前與光 學元件的多個類似的堆疊分開。光學元件堆疊在貼附到圖像捕捉裝置頂面之前被檢驗。光 學元件堆疊包括腔體和限定到腔體中的開口的底面。剛性貼附光學元件堆疊到圖像捕捉裝 置頂面的步驟包括粘接光學元件堆疊底面到圖像捕捉裝置的頂面的、圍繞傳感器陣列的區(qū) 域，從而腔體在傳感器陣列上方形成了密封的空氣間隙。 在裝配工藝中不需要聚焦操作。因此，在相機模塊中不提供聚焦機構。 本發(fā)明還公開了新穎的相機模塊。該相機模塊包括限定穿通其的開口和圍繞開口
的凹陷的安裝基板以及包括形成在ICD頂面上的傳感器陣列的集成電路ICD。 ICD安裝在
安裝基板的凹陷中。凹陷的深度大于ICD的厚度，以便ICD的底面沒有延伸超過安裝基板
的底面。相機模塊還包括固定到圖像捕捉裝置頂面并延伸穿過安裝基板中的開口的光學元
件堆疊。相機模塊沒有任何聚焦機構。 在所公開的示范性實施例中，安裝基板包括形成在凹陷表面上的一組電接觸，并
且圖像捕捉裝置包括形成在圖像捕捉裝置頂面上的一組互補電接觸。圖像捕捉裝置通過在
電接觸器和互補電接觸器的相關對之間形成電連接而安裝在安裝基板的凹陷中。 安裝基板還包括電連接安裝基板到主機裝置電路板的第二組電接觸。第二組電接
觸電連接到該組電接觸，以連接圖像捕捉裝置的電路與主機裝置電路板電路。 在所公開的示范性相機模塊中，光學元件堆疊、圖像捕捉裝置和安裝基板都可承受回流焊接工藝。 光學元件堆疊包括腔體和底面。底面限定到腔體中的開口。光學元件堆疊通過貼 附光學元件堆疊的底面到圖像捕捉裝置的頂面而固定到圖像捕捉裝置的頂面。到腔體中的 開口圍繞傳感器陣列，并且腔體在傳感器陣列上方提供空氣間隙。在特定實施例中，光學元 件堆疊包括直接彼此接合的多個單獨的透鏡元件。 根據本發(fā)明的相機模塊也可以描述為包括包括在ICD頂面中形成傳感器陣列的 集成電路ICD、固定到所述圖像捕捉裝置頂面的光學元件堆疊以及通過回流焊接工藝貼附 集成的圖像捕捉裝置到主機裝置電路板的裝置。


現(xiàn)在，參照下面的附圖描述本發(fā)明，其中相同的參考數(shù)字表示基本上類似的元 件 圖1是安裝在主機裝置的印刷電路板上的相機模塊的透視圖； 圖2是圖1的相機模塊的局剖透視圖； 圖3是在圖1的相機模塊的圖像捕捉裝置上的光學元件堆疊的截面圖； 圖4是圖1的相機模塊的安裝基板的仰視透視圖； 圖5是安裝在圖4的安裝基板中的圖3的光學堆疊和圖像捕捉裝置的仰視透視 圖； 圖6是用于制造圖2、3和5的光學元件堆疊的多個透鏡晶片的透視圖； 圖7是圖6的透鏡晶片的一部分的橫截面圖；禾口 圖8是概述制造圖1的相機模塊的一種方法的流程圖。
具體實施例方式
本發(fā)明通過提供可承受回流焊接條件的簡化的晶片級相機模塊而克服現(xiàn)有技術 的相關問題。在下面描述中，闡述了許多具體細節(jié)(例如，很多的透鏡、環(huán)氧的類型、電接觸 類型等)，以便提供對本發(fā)明的透徹理解。然而，本領域的技術人員應當認識到，本發(fā)明可以 脫離這些細節(jié)而實施。另一方面，省略了熟知電子組件實施和設備的細節(jié)，以免不必要地混 淆本發(fā)明。 圖1是根據本發(fā)明的一個實施例的相機模塊100的透視圖。所示相機模塊100安 裝在印刷電路板(PCB)102的一部分上，該印刷電路板(PCB) 102代表相機主機裝置(例如， 移動電話、PDA等)的主PCB。相機模塊100通過多個導電跡線104與主機裝置的其它部件 電通信。裝置106表示可以直接安裝在PCB 102上的電子部件(例如，無源部件)。本領 域的技術人員應當認識到，PCB 102的具體設計取決于具體的應用，并且不與本發(fā)明具體相 關。因此，PCB 102、線路104和裝置106實際上只是代表性的。 圖2是相機模塊100的局剖透視圖，相機模塊100包括圖像傳感器封裝200、安裝 基板202和殼體204。圖像傳感器封裝200包括集成電路圖像捕捉裝置(ICD)206和光學 堆疊208。 ICD 206包括頂面210，在其上光學堆疊208剛性貼附在圖像捕捉表面212上方 (如圖3所示)。圖像捕捉表面212包括光傳感器陣列(未分別示出)。頂面210還包括一 組接觸焊墊214，其在該具體示例中為凸起的金凸點，以利于ICD 206倒裝接合到安裝基板202。本發(fā)明的該方面將參照后面的附圖更詳細地描述。 安裝基板202包括光圈216(更明顯地示出在后續(xù)圖中)、底面218和頂面220。當 圖像傳感器封裝200倒裝片安裝到安裝基板202時，光圈216提供容納光學堆疊208的開 口 。底面218有利于使相機模塊100安裝到PCB102，并且包括一組電接觸(圖4)，以提供 ICD 206和PCB 102之間的電連接。頂面220提供支撐面，在支撐面上可以形成或貼附殼體 204。 在該具體實施例中，殼體204直接模制在頂面220上方和光學堆疊208周圍，留下 光圈222。殼體204的模制工藝在圖像傳感器封裝200倒裝片接合到安裝基板202后執(zhí)行。 作為選擇，殼體204可以預制(例如，模制)，然后通過某些適當?shù)姆椒?例如，粘接劑、熱焊 接等)貼附到安裝基板202。 圖3示出了圖像傳感器封裝200的截面圖。光學堆疊208包括以堆疊關系彼此固 定的三個透鏡300、302和304，并且直接固定到ICD 206的頂面上。具體地講，透鏡300固 定到頂面210，透鏡302固定到透鏡300，并且透鏡304固定到透鏡302。透鏡300、302和 304的每一個都包括頂面306和底面308 二者。頂面306和底面308 二者都包括平面的周邊 表面310，它們都彼此平行以利于堆疊。作為選擇，頂面306和底面308可包括互補的對準 特征，當接合時，對準特征彼此相對地適當定位透鏡300、302和304。每一個底面308都限 定到腔體312中的開口，這對透鏡300特別重要，因為它防止圖像捕捉表面314和透鏡300 之間的接觸。此外，進入腔體312的開口周長大于圖像捕捉表面314的外圍周長，因而防止 圖像捕捉表面314和透鏡300的底面308之間的接觸。腔體312也提供在透鏡300、302和 304之間以及透鏡300與圖像捕捉表面314之間的空氣間隙，這可為光學堆疊208的光學方 法的一個重要特征。在本發(fā)明的該具體實施例中，透鏡300的腔體312大約為40-50微米 深。 當透鏡元件300的底面308接合到ICD 206的頂面210時，圖像捕捉表面314被 完全密封。結果，圖像捕捉表面314避免受顆粒污染。在本實施例中，光學堆疊208用光學 級粘接劑貼附到ICD 206的頂面210，光學級粘接劑例如商業(yè)名稱為Optocast 3553HM的商 用粘接劑。可接受的接合線厚度為5士2微米。 無需聚焦機構，因此沒提供。其原因是光學堆疊208的晶片級裝配和光學堆疊208 直接貼附至ICD 206非常精確。此外，現(xiàn)有技術遭受的公差疊加(累積)被有效地消除。
圖4是安裝基板202的仰視透視圖。如所示，安裝基板202包括第一組電接觸402 和第二組電接觸404，電接觸402和電接觸404的相關對通過電連接器406連接。第一組電 接觸402提供通過回流焊工藝電連接安裝基板202到PCB 102(圖1)的裝置。第二組電接 觸404形成在圍繞開口 216的凹陷的表面上，并提供電連接ICD 206至安裝基板202的裝 置。電連接器406完成ICD 206電路和PCB 102電路之間的電連接。 圖5是示出圖像傳感器封裝200倒裝芯片安裝到安裝基板202的仰視透視圖。ICD 206完全設置在形成在安裝基板202的底部中的凹陷內，使ICD不會干擾基板202安裝到 PCB 102上(圖1)。光學堆疊208向上延伸通過開口 216 (圖5中不可見)。接觸402在安 裝基板202的底面上保持可見。 圖6是在形成光學堆疊208中使用的三個玻璃晶片602、604和606的分解透視圖。 玻璃晶片602、604和606分別包括透鏡陣列608、610和612，它們分別以適當?shù)姆椒ㄐ纬桑缥g刻/復制技術。在透鏡陣列形成后，玻璃晶片垂直對準，以便每個單獨的透鏡與其它二 個單獨的透鏡同軸對準。然后，玻璃晶片以堆疊關系彼此粘接，以準備用于將產生幾個單獨 的光學堆疊208的一單獨工藝。 作為選擇，在將晶片分離成附帶透鏡堆疊的單獨的ICD前，玻璃晶片602、604和 606可以接合到包括如多個集成電路圖像捕捉裝置的晶片。然而，更難于同時分開透鏡晶片 和ICD晶片，這是因為分離需要在硅ICD晶片的有效區(qū)域上切割玻璃晶片。此外，在分離前 將透鏡接合到晶片減少了從玻璃晶片生產透鏡的產率，這是因為透鏡堆疊比ICD占據的面 積小。因此，如果玻璃晶片在貼附到ICD晶片上之前被切割，則該透鏡可以定位更加接近， 而不是其間距必須匹配ICD的間距。 圖7是彼此對準且粘接的玻璃晶片602、604和606的一小部分的截面圖。在玻璃 晶片彼此粘接后，透鏡進行質量測試，然后沿線700切割而形成多個單獨的光學堆疊208。 在單獨的光學堆疊208形成后，它們被清洗，并準備安裝在ICD上。 圖8是概述制造根據本發(fā)明的相機模塊的一種方法800的流程圖。在第一步 802中，提供了單體的、測試過的透鏡堆疊。例如，而非限定，加工兩個或更多的玻璃晶片 (2"-12")以在單獨玻璃晶片上利用蝕刻或復制技術形成微型光學元件。如上所述，底部玻 璃晶片具有預定的腔體(大于ICD的圖像捕捉表面)。然后，玻璃晶片堆疊且粘接在彼此頂 上，以形成晶片級光學堆疊。然后，光學堆疊進行質量測試，并切割產生單體的、測試過的透 鏡堆棧。 接下來，在第二步804中，提供了傳感器晶片(ICD的晶片)。例如，而非限定，傳感 器晶片(例如，8"-12")經受金凸點形成工藝，以利于倒裝片接合到基板。在金凸點形成 后，傳感器晶片經受背面研磨，以實現(xiàn)約120-250微米的厚度。 接下來，在第三步806中，傳感器晶片分成單體，以產生分開的ICD。例如，而非限 定，傳感器晶片被切片，且載體晶片被貼附到傳感器晶片的底部以提供剛度。然后，傳感器 晶片經受晶片清洗和/或等離子清洗，以保證每個單獨ICD的傳感器區(qū)域不受污染。
接下來，在第四步808中，單體的、測試過的透鏡堆疊被貼附到ICD。在貼附期間， 透鏡堆疊光學地居中在ICD上，并用光學級環(huán)氧樹脂或膠接合。然后，粘接劑被固化(如紫 外線(UV)，加熱等)，以完成接合工藝。 接下來，在第五步810中，帶有貼附的透鏡堆疊的ICD倒裝片安裝到安裝基板上。 然后，在第六步812中，殼體被貼附而形成相機模塊。接下來，在第七步814中，測試每個照 相模塊。最后，在第八步816中，相機模塊被貼附到主機裝置的基板(例如，PCB)上。作為 選擇，該貼附通過回流焊接工藝實現(xiàn)。 現(xiàn)在完成對本發(fā)明具體實施例的描述。很多所描述的特性可以被替代、更改或省 略而不脫離本發(fā)明的范圍。例如，可以使用不同數(shù)量的透鏡單元來形成安裝在ICD上的光 學堆疊。作為另一個示例，紅外線濾光片可以集成在用以形成光學堆疊的光學玻璃中，從而 減少完成模塊所需部件的數(shù)量和裝配的步驟。尤其就前面的公開而言，與具體實施例的這 些和其它的偏離對本領域的技術人員將是顯而易見的。
權利要求
一種制造相機模塊的方法，該方法包括提供光學元件堆疊；提供集成電路圖像捕捉裝置，所述圖像捕捉裝置具有帶傳感器陣列的頂面；剛性貼附所述光學元件堆疊到所述圖像捕捉裝置的所述頂面；提供具有穿通其的開口和圍繞所述開口的凹陷的基板；以及貼附所述圖像捕捉裝置到所述基板，使所述圖像捕捉裝置的邊緣設置在所述凹陷中，并且所述光學元件堆疊伸延通過所述開口。
2. 如權利要求1所述的方法，還包括 提供第二基板；安裝所述基板在所述第二基板上。
3. 如權利要求2所述的方法，其中 所述第二基板是主機裝置的印刷電路板；并且 所述基板通過回流焊接工藝安裝到所述第二基板。
4. 如權利要求1所述的方法，其中所述光學元件堆疊在貼附到所述圖像捕捉裝置的所 述頂面之前與多個類似的光學元件堆疊分開。
5. 如權利要求1所述的方法，其中所述光學元件堆疊在貼附到所述圖像捕捉裝置的所 述頂面前被檢測。
6. 如權利要求1所述的方法，其中所述光學元件堆疊包括 腔體；和底面，限定到所述腔體中的開口 。
7. 如權利要求6所述的方法，其中所述剛性貼附所述光學元件堆疊到所述圖像捕捉裝 置的所述頂面的步驟包括粘接所述光學元件堆疊的所述底面到所述圖像捕捉裝置的所述 頂面的、圍繞所述傳感器陣列的區(qū)域，所述腔體在所述傳感器陣列的上方形成空氣間隙。
8. 如權利要求1所述的方法，在所述相機模塊中不提供聚焦機構。
9. 如權利要求1所述的方法，其中所述貼附所述圖像捕捉裝置到所述基板的步驟包括 電連接所述圖像捕捉裝置上的一組電接觸到所述基板上的一組互補電接觸。
10. 如權利要求9所述的方法，其中所述電連接所述電接觸組到所述互補電接觸組的 步驟通過倒裝片管芯貼附工藝完成。
11. 如權利要求9所述的方法，其中所述基板包括第二組電接觸，以利于連接所述基板 到主機裝置的電路板。
12. —種相機模塊，包括安裝基板，限定穿通其的開口和圍繞所述開口的凹陷；集成電路圖像捕捉裝置，包括形成在所述圖像捕捉裝置的頂面中的傳感器陣列，所述 圖像捕捉裝置安裝在所述安裝基板的所述凹陷中；禾口光學元件堆疊，固定到所述圖像捕捉裝置的所述頂面，并延伸通過所述安裝基板中的 所述開口。
13. 如權利要求12所述的相機模塊，其中 所述安裝基板包括形成在所述凹陷的表面上的一組電接觸；所述圖像捕捉裝置包括形成在所述圖像捕捉裝置的所述頂面上的一組互補電接觸；以及所述圖像捕捉裝置通過在所述電接觸和所述互補電接觸的相關對之間形成電連接而 安裝在所述安裝基板的所述凹陷中。
14. 如權利要求12所述的相機模塊，其中所述安裝基板還包括電連接所述安裝基板到主機裝置的電路板的第二組電接觸；并且 所述第二組電接觸電連接到所述電接觸組，以連接所述圖像捕捉裝置的電路與所述主 機裝置的所述電路板的電路。
15. 如權利要求12所述的相機模塊，其中所述光學元件堆疊、所述圖像捕捉裝置和所 述安裝基板都可以承受回流焊接工藝。
16. 如權利要求12所述的相機模塊，其中所述相機模塊沒有任何聚焦機構。
17. 如權利要求12所述的相機模塊，其中所述光學元件堆疊包括腔體和底面，所述底面限定到所述腔體中的開口 ； 所述光學元件堆疊通過貼附所述光學元件堆疊的所述底面到所述圖像捕捉裝置的所 述頂面而固定到所述圖像捕捉裝置的所述頂面；到所述腔體中的所述開口圍繞所述傳感器陣列；并且 所述腔體在所述傳感器陣列上方提供空氣間隙。
18. 如權利要求12所述的相機模塊，其中所述光學元件堆疊包括彼此直接接合的多個 單獨的透鏡元件。
19. 如權利要求12所述的相機模塊，其中所述凹陷的深度大于所述圖像捕捉裝置的厚度。
20. —種相機模塊，包括集成電路圖像捕捉裝置，包括形成在所述圖像捕捉裝置的頂面中的傳感器陣列； 光學元件堆疊，固定到所述圖像捕捉裝置的所述頂面；禾口 通過回流焊接工藝貼附所述集成圖像捕捉裝置到主機裝置的電路板的裝置。
全文摘要
所公開的制造相機的方法包括提供光學元件堆疊；提供集成電路圖像捕捉裝置(ICD)，圖像捕捉裝置具有帶傳感器陣列的頂面；剛性貼附光學元件堆疊到圖像捕捉裝置的頂面；提供具有穿通其的開口和圍繞所述開口的凹陷的基板；以及貼附圖像捕捉裝置到基板，使圖像捕捉裝置的邊緣設置在凹陷中，并且光學元件堆疊伸延通過開口。該方法還包括提供第二基板(例如，主機PCB)，并且將基板安裝在第二基板上，以將相機模塊貼附到主機裝置。作為選擇，基板通過回流焊接工藝安裝到第二基板。
文檔編號G03B19/00GK101730863SQ200880021337
公開日2010年6月9日 申請日期2008年4月24日 優(yōu)先權日2007年4月24日
發(fā)明者哈普尼特·辛 申請人:弗萊克斯電子有限責任公司