CN111029354B - 一种大面阵高帧频高可靠小型化图像传感器的三维集成电路结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种大面阵高帧频高可靠小型化图像传感器的三维集成电路结构，包括基板，所述基板的上表面设置有腔体，所述腔体内设置有像元芯片；通过将像元芯片中的像元纵向引出，节约了像元芯片布线消耗的面积，既可以通过增大像元尺寸，来提高弱光或微光成像的能力，提高芯片的灵敏度；也可以通过增加像元数量，获得更高的分辨率，提高了系统集成度；通过增加的像元横向引出，增加信道数量，可有效的降低时钟排布复杂度，提高系统集成度，提高了信号传输的可靠性；采用了将像元芯片设置在具有腔体的基板中，并且设置有填充剂，提高数据的传输速度，提高了系统帧频；而且减小了信道之间的耦合，提高了信噪比。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种大面阵高帧频高可靠小型化图像传感器的三维集成电路结构。
背景技术
传统技术中，图像传感器芯片的像元单元和读出电路需在同一衬底上制造，这不仅降低像元单元的填充率，而且由于信号线延迟不均，造成时序设计、时钟排布复杂度增加，帧速率低，输出动态范围不高；为节约芯片面积，压缩布线通道面积，造成信号线相互串扰变大，信噪比降低；同时由于面阵单元、布线通道占整体芯片的大量面积，而不能集成更多的处理电路，限制了读出电路的功能，系统需再采用二维集成方式，提高其性能。增加了整体系统体积，寄生效应影响变大，系统复杂度提高，不利于小型化集成，且不利于低噪声、高帧率的使用；为了提高系统性能，需采用更优的工艺技术，增大了成本。
另外，虽然在现有技术中通过三维集成可提高系统的一定性能，但暗电流、串扰和翘曲等问题仍然不能忽视。为了减小暗电流，像元芯片需采用较大的像元尺寸，工作速度也较低，使得系统的分辨率低、清晰度差、体积大，限制了大面阵像元芯片的应用；为了减少串扰，往往采用延长硅的载流子的寿命以及改进硅加工工艺的方法。延长载流子的寿命固然会提高量子效率，但由于电荷扩散的原因会使串扰增加；改进硅加工工艺的方法增大了系统制造成本。由于三维集成中各材料的热膨胀系数不匹配，限制了芯片堆叠数量，降低了系统性能，使得系统可靠性变差。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种大面阵高帧频高可靠小型化图像传感器的三维集成电路结构，包括基板，所述基板的上表面设置有腔体，所述腔体内设置有像元芯片。
所述像元芯片包括像元、像元纵向引出、像元横向引出，所述像元通过像元纵向引出；所述像元横向引出与设置于基板上方的RDL层电连接。
所述腔体内还设置有微凸点，所述基板上还设置有第一通孔，所述微凸点设置于第一通孔像元芯片之间。
所述基板的下方设置有第二RDL层，所述第二RDL层下方设置有焊接球，所述焊接球的下方设置有读出电路芯片。
所述第一通孔包括普通通孔或TSV通孔。
所述基板上还设置有第二通孔，所述基板的下方设置有凸点，所述凸点与第二通孔对应。
所述第二通孔包括普通通孔或TSV通孔。
所述基板是由硅、锗、硅锗合金、硅碳合金、硅锗碳合金、砷化镓、砷化铟、磷化铟、III-V族半导体材料、II-IV族半导体材料、有机半导体材料中一种或几种组成。
所述腔体与像元芯片还填充有填充剂。
本发明的有益效果：本发明提供的这种大面阵高帧频高可靠小型化图像传感器的三维集成结构，具有以下优点：其一，现有图像传感器的像元结构为了减小像元结构以及加大面阵尺寸只能采用更优的工艺技术，而本发明通过将像元芯片中的像元纵向引出，节约了像元芯片布线消耗的面积，既可以通过增大像元尺寸，来提高弱光或微光成像的能力，提高芯片的灵敏度；也可以通过增加像元数量，获得更高的分辨率，提高了系统集成度；其二，增加的像元横向引出，增加信道数量，可有效的降低时钟排布复杂度，进一步提高系统集成度，提高了信号传输的可靠性；其三，采用了将像元芯片设置在具有腔体的基板中，并在腔体中填充高隔离度、易导热、热膨胀系数相互匹配的填充剂，并且通孔或TSV采用高隔离度结构，不仅减小了像元芯片中的像元与读出电路芯片中相应的信号处理单元之间纵向距离，提高数据的传输速度，提高了系统帧频；而且减小了信道之间的耦合，提高了信噪比；同时，由于像元芯片与读出电路通过纵向互连，可去除读出电路的行列译码等逻辑电路及存储单元，提高读出效率，提高了像元反应的均一性，像元可在同一时刻采样，生成没有失真的图像；解决了多种材料集成引起的热膨胀系数不匹配的问题，提高系统可靠性。其四，读出电路芯片与像元芯片分离，两者可采用各自最优工艺，使两类电路获得最优性能；同时在读出电路芯片中可集成更多功能模块，系统可获得更高动态范围的图像，提高了系统性能。每款芯片和整体系统的制造工艺与现有工艺技术相兼容，无需开发新的工艺技术，成本较低。因此，本发明的一种大面阵高帧频高可靠小型化图像传感器结构充分发挥了三维集成互连的优势，实现高密度、高性能、高可靠的图像传感集成系统。
以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是大面阵高帧频高可靠小型化图像传感器的三维集成电路结构的结构示意图。
图中：1、基板；2、腔体；3、通孔；3-1、第二通孔；4、凸点；5、微凸点；6、焊接球；7、RDL层；7-1、第二RDL层；8、像元芯片；9、像元；10、像元纵向引出；11、像元横向引出；12、读出电路芯片。
具体实施方式
为进一步阐述本发明达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及实施例对本发明的具体实施方式、结构特征及其功效，详细说明如下。
实施例1
为了提高图像传感器的集成密度，获得更高的分辨率，同时实现其高可靠、更高的帧频、更高的像元反应的均一性；本实施例提供了一种如图1所示的大面阵高帧频高可靠小型化图像传感器的三维集成电路结构，包括基板1，所述基板1的上表面设置有腔体2，所述腔体2内设置有像元芯片8。所述基板1是由硅、锗、硅锗合金、硅碳合金、硅锗碳合金、砷化镓、砷化铟、磷化铟、III-V族半导体材料、II-IV族半导体材料、有机半导体材料中一种或几种组成。基板1对整体结构以及集成系统起支撑作用。
所述像元芯片8包括像元9、像元纵向引出10、像元横向引出11，所述像元9通过像元纵向引出10引出；所述像元横向引出11与设置于基板1上方的RDL层7电连接；这样，可以节约了像元芯片8布线消耗的面积，缩减像元9之间的间距，既可以通过增大像元9尺寸，来提高弱光或微光成像的能力，提高像元芯片8的灵敏度；亦可以通过增加像元9数量，增多信道数量，获得更高的分辨率，提高了系统集成度。像元横向引出11通过与在腔体上RDL层7形成电互连，不但增加信道数量，可有效的降低时钟排布复杂度，进一步提高系统集成度，提高了信号传输的可靠性；而且可利用像元横向引出11与电源地连接，对像元芯片8形成良好的ESD保护，提高了像元芯片8的可靠性。通过减薄像元芯片8的厚度，不仅提高了数据的传输速度，提高了系统帧频；而且降低了芯片的翘曲，提高了系统的可靠性。
所述基板1的下方设置有第二RDL层7-1，所述第二RDL层7-1下方设置有焊接球6，所述焊接球6的下方设置有读出电路芯片12，读出电路芯片12通过焊接球6与第二RDL层7-1相连；读出电路芯片12中信号处理单元分别与像元芯片8中相应的像元9形成纵向互连。由于该方式的连接，不需要使用现有技术中读出电路芯片12采用的行列译码等逻辑电路及存储单元，不但提高读出效率，而且提高了像元反应的均一性，像元9可在同一时刻采样，生成没有失真的图像。由于读出电路芯片12与像元芯片8分离，两者可采用各自最优工艺，使两款电路获得最优性能；同时在读出电路芯片12中可集成更多功能模块，系统可获得更高动态范围的图像，提高了系统性能。
所述腔体2内还设置有微凸点5，所述基板1上还设置有第一通孔3，所述微凸点5设置于第一通孔3与像元芯片8之间，第一通孔3设置于微凸点5与第二RDL层7-1，微凸点5、第一通孔3、第二RDL层7-1具有连接像元芯片8与读出电路芯片12的作用，且对像元芯片8起支撑作用；像元芯片8放置在腔体2中，通过微凸点5与基板1中的第一通孔3形成互连；像元芯片8设置在具有腔体2的基板1中，减小了像元芯片8中的像元9与读出电路芯片12中相应的信号处理单元之间纵向距离，提高数据的传输速度，提高了系统帧频；并在腔体2中填充高隔离度、易导热、热膨胀系数相互匹配的填充剂，可以解决在处理快速变换的影像时，由于电流变换过于频繁而过热，造成暗电流增大，出现噪点的问题；解决多种材料集成引起的热膨胀系数不匹配的问题，提高系统可靠性。在腔体2上通过RDL层7与像元横向引出11形成电互连，增加信道数量，可有效的降低时钟排布复杂度，进一步提高系统集成度，提高了信号传输的可靠性。
所述第一通孔3包括普通通孔或TSV通孔。
所述基板1上还设置有第二通孔3-1，所述基板1的下方设置有凸点4，所述凸点4与第二通孔3-1对应；这样，凸点4与第二通孔3-1相连，不但起到整体系统电连接的作用，也对基板1之上的各模块起支撑作用。
所述第二通孔3-1包括普通通孔或TSV通孔。
进一步的，第一通孔3、第二通孔3-1作为相应的信号线、电源线的通道；通孔或TSV3采用高隔离度结构，减小了信号之间的串扰，提高了信噪比。
综上所述，该大面阵高帧频高可靠小型化图像传感器的三维集成结构，具有以下优点：其一，现有图像传感器的像元结构为了减小像元结构以及加大面阵尺寸只能采用更优的工艺技术，而本发明通过将像元芯片中的像元纵向引出，节约了像元芯片布线消耗的面积，既可以通过增大像元尺寸，来提高弱光或微光成像的能力，提高芯片的灵敏度；也可以通过增加像元数量，获得更高的分辨率，提高了系统集成度；其二，增加的像元横向引出11，增加信道数量，可有效的降低时钟排布复杂度，进一步提高系统集成度，提高了信号传输的可靠性；其三，采用了将像元芯片8设置在具有腔体2的基板1中，并在腔体2中填充高隔离度、易导热、热膨胀系数相互匹配的填充剂，并且通孔或TSV采用高隔离度结构，不仅减小了像元芯片8中的像元9与读出电路芯片12中相应的信号处理单元之间纵向距离，提高数据的传输速度，提高了系统帧频；而且减小了信道之间的耦合，提高了信噪比；同时，由于像元芯片8与读出电路通过纵向互连，可去除读出电路的行列译码等逻辑电路及存储单元，提高读出效率，提高了像元反应的均一性，像元可在同一时刻采样，生成没有失真的图像；解决了多种材料集成引起的热膨胀系数不匹配的问题，提高系统可靠性。其四，读出电路芯片12与像元芯片8分离，两者可采用各自最优工艺，使两类电路获得最优性能；同时在读出电路芯片12中可集成更多功能模块，系统可获得更高动态范围的图像，提高了系统性能。每款芯片和整体系统的制造工艺与现有工艺技术相兼容，无需开发新的工艺技术，成本较低。因此，本该大面阵高帧频高可靠小型化图像传感器结构能够充分发挥了三维集成互连的优势，实现高密度、高性能、高可靠的图像传感集成系统。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种大面阵高帧频高可靠小型化图像传感器的三维集成电路结构，包括基板（1），其特征在于：所述基板（1）的上表面设置有腔体（2），所述腔体（2）内设置有像元芯片（8）；所述像元芯片（8）包括像元（9）、像元纵向引出（10）、像元横向引出（11），所述像元（9）通过像元纵向引出（10）引出；所述像元横向引出（11）与设置于基板（1）上方的RDL层（7）电连接；所述腔体（2）内还设置有微凸点（5），所述基板（1）上还设置有第一通孔（3），所述微凸点（5）设置于第一通孔（3）与像元（9）之间；所述腔体（2）中填充有高隔离度、易导热、热膨胀系数相互匹配的填充剂。
2.如权利要求1所述的一种大面阵高帧频高可靠小型化图像传感器的三维集成电路结构，其特征在于：所述基板（1）的下方设置有第二RDL层（7-1），所述第二RDL层（7-1）下方设置有焊接球（6），所述焊接球（6）的下方设置有读出电路芯片（12）。
3.如权利要求2所述的一种大面阵高帧频高可靠小型化图像传感器的三维集成电路结构，其特征在于：所述第一通孔（3）包括普通通孔或TSV通孔。
4.如权利要求1所述的一种大面阵高帧频高可靠小型化图像传感器的三维集成电路结构，其特征在于：所述基板（1）上还设置有第二通孔（3-1），所述基板（1）的下方设置有凸点（4），所述凸点（4）与第二通孔（3-1）对应。
5.如权利要求4所述的一种大面阵高帧频高可靠小型化图像传感器的三维集成电路结构，其特征在于：所述第二通孔（3-1）包括普通通孔或TSV通孔。
6.如权利要求1所述的一种大面阵高帧频高可靠小型化图像传感器的三维集成电路结构，其特征在于：所述基板（1）是由硅、锗、硅锗合金、硅碳合金、硅锗碳合金、III-V族半导体材料、II-IV族半导体材料、有机半导体材料中一种或几种组成。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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