固態相機模組傳統上採用板上連接式晶片(Chip-on-board, COB)組裝製程，然而這種方法已不適用生產現代的影像元件，原因為其無法在滿足現今要求的產量下，生產出解析度更高但尺寸更小的元件。如今，晶圓級封裝(Wafer-Level Packaging, WLP)將是取而代之的解決方案，其高良率、低成本、以及適合大量生產等特性，預估將讓採用晶圓級封裝所生產的影像元件，在2011年擁有超過50%的市占率。
電子裝置整合影像功能的速度，相對而言較為緩慢。這是因為數位影像擁有極多的資訊內容，直到最近市場上才出現能夠把相機整合至其他產品中的低價位、高閘極電路。採用半導體技術製造的相機元件，如今已滲透到現代生活的每種領域，包括照相手機、數位相機、攝影機、網路攝影機、身分辨識與監視系統、機械工具、醫療設備及汽車駕駛輔助等產品，其中照相手機為規模最大的單一應用。大多數照相手機都配備至少一個相機，許多高階手機經常配備兩個相機，照相手機在相機模組市場的比重約為40%，年出貨量約為十二億個，再加上其他相機應用，平均銷售價格可達5美元，意謂2009年相機模組市場的規模將會超過130億美元。
板上連接式晶片封裝式微
以往製造固態相機模組都採用板上連接式晶片封裝。互補式金屬氧化物半導體(CMOS)晶粒首先運用接著劑固定於基板，再利用打線接合，把裸晶上的銲墊連到基板上，之後把名為鏡筒(Lens Barrel)的塑膠外殼裝在裸晶外部，最後，將包括鏡片、光閘與光圈等零件的鏡片轉臺，鎖在鏡筒內部，以作為設定焦距的零件。
板上連接式晶片封裝組裝方式適用於舊世代的相機模組上，因為以往的畫素尺寸相對較大，且生產量也不像現在這麼多。如今畫素尺寸平均約為1.75微米(μm)，許多影像元件的廠商已著手升級至1.4μm與更小的技術。然而市場對相機模組的需求，已成長至每天須生產超過兩百萬個才能滿足。這些趨勢暴露出板上連接式晶片封裝方式的兩項重要缺點。第一為經濟方面，板上連接式晶片封裝本質上是序列的製造流程，製造成本會隨每個生產零件而增加，除了節省小幅度的固定成本外，生產兩倍數量的零件，成本就會增加約兩倍。第二個缺點是良率，在板上連接式晶片封裝組裝過程中，影像元件會一直暴露在外，直到鏡頭模組被鎖在定位為止，然而影像元件的光學作用區非常脆弱，因此一有任何污染，都會在影像上形成瑕疵。不幸的是，許多板上連接式晶片封裝製程，如晶圓切割、引線搭接及插入鏡筒等，都會產生污染微粒，也難怪有90%的相機模組瑕疵都是因影像元件遭受微粒污染所致。由於畫素尺寸持續縮小，加上影像元件的解析度不斷提高，板上連接式晶片封裝組裝的良率也隨之直線下滑。
圖1是固態相機模組的結構。影像感測器的裸晶黏著於基板上，利用引線搭接法加以連結。在影像感測器的上方，置有裝在鏡筒內的鏡頭模組。鏡筒裝在正確的位置，配合連結在基板上的影像元件與鏡頭外殼。影像感測器的感應區，覆有一個微鏡頭，每個畫素均由一個微鏡頭感測。
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| 圖1 板上連接式晶片封裝示意 |
晶圓級封裝提升影像感測器價值
晶圓級封裝能為半導體晶粒提供一個保護的外層，非常適合用於高產量的製程，這種製程在晶圓形態時，即加上一層封裝，晶圓經過切割後，就成為一顆顆完成封裝的晶粒。
晶圓級封裝具備三項好處，能為影像感測器帶來較佳的價值。首先成本由晶圓上的良好晶粒共同分擔，一片生產影像感測器的8吋晶圓，通常可生產出數千個晶粒，相較於單獨封裝法，這種技術能大幅降低每個晶粒的封裝成本。第二個優點為在製程的每個步驟中，晶粒都受到充分的保護，因此能有效避免由微粒產生污染所導致的良率損失。最後，晶圓級封裝不僅能輕易清洗，也可消除殘留在相機對焦面上的污染物，不會在影像上出現可視的瑕疵，且生產出的封裝晶粒，其錫球閘陣列的介面位於底部。這讓相機模組能直接焊在產品的電路板，也可焊在其他半導體與被動元件。若沒有這項特色，相機模組就必須分開單獨組裝，之後再利用撓式纜線安裝到電路板上，而這些接頭的可靠性問題是造成搭載板上連接式晶片封裝元件的相機產品被退貨的主要原因。
晶圓級封裝於2001年開始運用於影像感測器上，但一直到有足夠的生產量滿足需求時，業界才開始快速體驗到晶圓級封裝所帶來成本與良率的效益。圖2顯示三項預測，每項預測都有不同的來源和時間，各自推估固態影像感測元件轉移至晶圓級封裝的發展，在2012年，預估所有影像元件中，有超過65%會採用晶圓級封裝。
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| 圖2 2000～2010年採用晶圓級封裝中影像感測器的市占率預佔。 |
微孔封裝可縮小晶片厚度
目前唯一能支援所有種類影像感測器的晶圓級封裝為廠商推出的Shellcase微孔封裝(MVP)解決方案。在這個設計中，晶粒上的打線透過通孔穿過焊墊，連結至封裝背面的錫球閘陣列，並在焊墊尺寸、間距或位置等方面僅有少數的限制。切割溝槽可做到和矽晶設計尺寸一樣小，可最大化每片晶圓上的晶粒數量，並降低單位成本。材料與製程方面的創新，讓封裝過的影像感測器，其厚度可壓低到約500微米，非常適合用在追求超薄時尚的電子產品。
導孔貫穿銲墊的內部連結與所謂矽穿孔(TSV)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，通孔穿過焊墊接點，其結構類似發展成熟的邊緣接點，且具備相同的可靠性。事實上，邊緣接點的實際運用時間已超過10年，至今已生產超過五百億個互連元件。通孔穿過焊盤的互連採用聚合物技術，以及針對印刷電路板(PCB)產業進行調整的工具組，讓其成為成本極低廉的解決方案，用以為固態影像元件裝上外殼。
圖3為MVP晶圓級封裝為固態影像感測器裝上一個保護外層。此封裝採用通孔銲墊邊緣連結技術，提供一個小型化且堅固的外殼，相容於無鉛的組裝製程，且能以低廉的成本來製造。此封裝為影像元件提供充裕的保護，能通過汽車零件極為嚴苛的可靠性規格測試，其中包括電子工程設計發展聯合協會(JEDEC)制定的溼度等級一(Level 1)。
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| 圖3 MVP晶圓級封裝提供固態影像感測器保護外層 |
板上連接式晶片組裝越來越不適合用來大量生產相機模組，取而代之的晶圓級封裝，不僅提供極高的良率，且其成本適合用來生產極大量的產品。目前已有許多晶圓級封裝適合支援影像感測器，其中最多元化的封裝技術，當屬微通孔銲墊互連法，用來生產影像感測器的晶圓級封裝已累積相當的可靠歷史，可預期晶圓級封裝將很快成為固態影像元件的最佳選擇。
(本文作者為Tessera台灣區總經理暨東亞區總監)
