晶圓級封裝
晶圓級封裝(Wafer-level packaging，WLP)是幫固態影像感測器提供保護外殼的一種替代方案。該製程在晶圓狀態時就封裝晶粒，再進行後段組裝製程。然後，晶圓再進行切割，成為獨立封裝晶粒。

晶圓級封裝為影像感測器提供三項具極大價值的優勢。第一、封裝成本由晶圓上的良品晶粒攤分。一片八吋影像感測器晶圓上通常含有數千顆晶粒，相較於單顆獨立封裝製程，大幅降低每個晶粒的封裝成本。第二、晶粒從製程一開始就受到保護，故塵埃顆粒污染所造成的良率降低可有效排除；鏡片玻璃表面不僅可輕易清潔，任何殘留的污染物也可遠離聚焦面(focal plane)，因此在影像上呈現的瑕疵大小，也不必成比例地被放大。最後一個優點為能在封裝晶粒底部提供錫球陣列(BGA)介面。這讓相機模組能和所有其他半導體與被動元件同時焊接在產品主印刷電路板。若沒有該項特點，相機模組則必須利用橈性電路板或連結器連結到主電路板。這些連結器的不可靠性所引起的影像感測器故障，是造成相機被退貨的主要原因。基於這些優點，在2011年時，預期將有超過50%的影像感測器將藉由BGA介面作晶圓級封裝。

影像感測器的晶圓級凹槽封裝之製造方式為：利用黏膠在每個晶粒周圍形成一個緊密的框框，覆蓋玻璃晶圓後再切割成單一晶粒，最終的影像感測區域上均由精細的玻璃保護。這個製程如圖二所示。凹槽的作用是用來放置影像感測器表面上的鏡片，因此需預留空間，以便讓鏡片／空氣介面達到最大的折射率變化。通常，凹槽高度約為40µm。

圖二：晶圓級凹槽封裝程式。左圖：晶圓含有五個晶粒。中圖：運用黏膠材料的應用，在每個晶粒周圍構成框框。右圖：連結一個上蓋材料，密封每個晶粒的凹槽。切割製程將封裝晶粒從晶圓取出，如圖三所示。

晶圓級封裝內部連結
晶圓級封裝面臨的主要挑戰之一，就是連結銲墊。銲墊以往都位於晶粒正面，因而無法利用玻璃蓋來保護晶粒的光學作用區。有種簡單的解決方法，就是利用矽貫孔(Through Silicon Via，TSV)技術。矽穿孔有許多衍生技術，其中一種常見的建置方法為中空管，貫穿矽元件的厚層。中空管的側壁覆蓋一層鍍上導電金屬的介電薄膜。透過Bosch製程，利用深層反應式離子蝕刻機來製作貫穿導孔。

儘管在數年前，就技術言TSV已達到可行的階段，但卻從未邁入量產。其中最重要的原因包括：採購設備的資金高昂，矽元件蝕刻速度緩慢而導致產量低下，及需要複雜的步驟製作導電導孔，且同時必須和貫穿的矽元件保持絕緣。此外，可靠度的問題也無法有效解決。設計方面的弱點則包括：其介電質與導電塗層和側墻的高度比；中空管頂層與底層呈90度的彎曲，在熱循環時須穿越電路重佈層(redistribution layer，RDL)並維持連結；因銲墊背面難以清潔，在窄長中空管的底部，RDL就會形成歐姆接觸(Ohmic contact)。此外，由於TSV延伸至整個晶粒，使得銲墊區域不可能佈置任何半導體電路。矽元件使用率降低，導致晶粒尺寸增加，並直接影響元件的價格。

影像感測器所採用的現代晶圓級封裝中，最好的典型就是SHELLCASE® MVP解決方案。以圖三為例，在這個設計中，利用導孔貫穿銲墊技術來連結銲墊及封裝背面的錫球陣列介面；這個解決方案意謂減少銲墊的尺寸、間距或位置等方面的限制，故能直接相容於目前各種主要CMOS影像感測器。切割槽可縮小至矽元件設計規格的門檻極限，讓每片晶圓產出最多的晶粒，並降低單位成本。封裝後影像感測器的厚度約為500µm，可立即支援各種電子產品，符合目前超薄趨勢。

導孔貫穿銲墊的內部連結與TSV看似相似，但其差異極其重要，因其對產品的成本與可靠度產生極大影響。在這個接點上，RDL貫穿銲墊層，形成一個邊緣接觸點，由於貫穿銲墊會使未加工的金屬暴露在環境中，故規避了在RDL與銲墊之間形成歐姆接觸的困難。就結構上言，導孔貫穿銲墊的接觸點和良好建立的邊緣接觸點相同，因此也承襲相同的可靠度。實際上邊緣接觸的運用時間已超過10年，樣本數將近500億個。

導孔貫穿銲墊的內部連線，需要通道連至矽晶圓。然而，有別於TSV，其開口純粹由機械製作，並僅須暴露足夠銲墊的區域，就能構成導孔貫穿銲墊的邊緣接觸。由於多個內部連線可共用同一個開口，因此校準精準度及間距限制都在合理範圍內。由於矽晶片的開口不必獨立，因此開口形狀可以是有圓導角的不規則四邊型，從而消除了TSV不可靠性的兩大原因。最後，由於導孔貫穿銲墊的內部連線採用聚合物技術與單一RDL，因此成本效益勝過其他晶圓級封裝解決方案。

 

電泳材料
晶圓級封裝的主要成本之一就是材料成本。傳統半導體材料，如：聚亞亞氨與感光環氧樹酯等，對於目標價位低於1美元的VGA相機模組而言，成本過於昂貴。一種大量用在汽車產業的解決方案，經確認為成熟的產品，因而能將成本壓到極低。電泳漆為利用靜電吸引原理，進行沈積的材料；電鍍系統則把直流電荷通到浸在帶相反電荷塗料池中的金屬零件(參考圖四所示)。塗料粒子被吸引並附著於金屬零件，在表面形成一層均勻、連續的薄膜，直到塗裝達成所要的厚度為止。達到理想厚度時，薄膜會隔離零組件，吸引力便消失，電鍍作業也就完成了。厚度由施予電鍍槽的電壓控制，在50至300伏特時，其厚度通常介於5至75µm。
電泳漆是為了改善車體抗蝕能力所設計，附加價值為其色彩與光澤性皆勝過噴漆。由於成分不含重金屬，因此產生非常少，甚至零空氣污染物，且揮發的有機化學物質也相當有限。燒烤溫度通常約為攝氏120度，因此處理環境與後端半導體製程相容。更重要的是，它們成本極低，甚至有些等級的電泳漆能使鋼材零組件具備耐2000小時以上鹽水噴灑的抗侵蝕力。

 

圖四：陰極電泳塗裝系統原理。

電泳漆的資料經證實僅能運用在金屬，因為被塗裝的整個零組件必須是電化學電池的陰極或陽極，幸運的是，由於電泳材料是由電位而非電流驅動，而半導體等級的矽具備足夠導電性，能進行直接塗裝，故大幅簡化處理流程。

電泳漆具有高電阻與低介電常數。這些特性加上優異的表面覆蓋性，使這些介電薄膜材料成為晶圓級封裝用來隔絕RDL與矽晶粒的絕佳選擇，。

可靠度
欲整合至產品的零組件，必須符合用途，為達成此標準，通常會將整批零組件置於必須通過這些條件的各種環境中。對於傳統半導體零組件而言，這些測試由相關標準來制定，其中一項較嚴苛的標準為耐溼氣侵襲能力，針對照相手機設計，裝在晶圓級封裝內的元件，必須通過JEDEC第2級溼氣敏感度等級(MSL2)測試。該測試為把元件置於攝氏85度達連續168小時、相對溼度60%的環境下，再暴露於各種包括熱循環在內的熱溫環境；一般測試樣本為從不同日期生產的零組件中，取樣最少三批，每批77個零組件，採樣的範圍須涵蓋所有設備。結果發現塗上一層約15µm電泳漆的元件，不僅輕易通過這些測試，還通過汽車零組件的嚴苛標準(表一)。這項測試包括暴露於MSL1(攝氏85度，相對溼度85%，連續168小時)，之後再經過時間加倍的各種熱溫測試，這些是手機應用的必要標準。事實上，直到經過測試標準時間的三倍後，才出現第一次失效。

 

結論
固態影像感測器的封裝，最好的作法是在晶圓層級進行，因為這種方式相容於表面黏著組裝法，且提供較COB組裝法更輕巧、更可靠、更低廉的解決方案。透過一層玻璃來保護影像感測器正面。該部分能蓋住晶粒上的銲墊，讓接觸點置於晶粒的邊緣，或是將之貫穿。由於TSV尚無法商業化，另一替代方案是採用目前已有研發成果的導孔貫穿銲墊內部連線。這種方法為低成本解決方案，因為它採用針對汽車產業開發的超低價聚合物，與已經發展成熟的設備組。由於在銲墊尺寸、間距、或位置方面的限制極為有限，使該方案能直接相容於目前各主要CMOS影像感測器。封裝後的影像感測器能符合，甚至超越手機與汽車產業在零組件與機板層級系統方面的可靠度標準。