圖像傳感器封裝結構設計與分析

(桂林電子科技大學機電工程學院,廣西桂林 541004)

隨著科技的發展和時代的進步,人們對圖像質量的追求越來越高,器件結構和功能的要求趨向于小型化、高精度化和多功能化。圖像傳感器備受人們關注。圖像傳感器通過接收圖像信息并把此轉換為電信號,傳遞到存儲區或者顯示設備上[1-2]。圖像傳感器屬于電子信息產業中的光電器件,廣泛運用于手機、數碼相機、攝像機等電子光學設備上[3-6]。目前市場上對高清攝像需求量大,主要用于視頻監控領域,然而目前大部分圖像傳感器無法保證清晰度高、體積小并且散熱良好并存。根據傳感器的元件不同,圖像傳感器又可以分為CCD(Charged Coupled Device)、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)和CIS(Contact Image Sensor)三大類[7-8]。CCD圖像傳感器具有靈敏度高、體積小、質量輕、線性度良好和影像失真的特點[9]。而CMOS圖像傳感器具有分辨率高、高幀速、抗輻射能力強、低成本、結構簡單和成品率高的優點[10]。CIS是由多個系統含單一構件組合而成的集成模塊,感光系統被分割成一個個正方形的感光單元[11]。CIS傳感器具有外形小、價格低和結構簡單的特點。設計結構合理的圖像傳感器成為學者研究的重點和難點。

在傳感器的設計和優化方面,ANSYS分析軟件被認為是可行的分析工具。鄧天華[12]基于ANSYS對六角形卡盤夾緊力傳感器的尺寸進行了優化設計,獲得合理的內圓直徑和內切圓直徑比。高鵬飛等[13]基于ANSYS對磁通量傳感器進行了設計,用磁導法計算分析傳感器的磁通量。許斌等[14]基于ANSYS對壓電四維力傳感器進行了優化設計,研究壓電式四維力傳感器彈性膜對傳感器靈敏度與固有頻率的影響規律。曹效英等[15]利用ANSYS針對腕力傳感器的維間干擾作了定量分析。王南飛等[16]基于ANSYS對新型聚合物石英壓電傳感器的振動性能進行了分析,發現傳感器固有頻率值隨聚合物薄膜缺陷的半徑值增大呈現出從穩定到發散的趨勢,隨薄膜的厚度值增大呈現出線性增大的趨勢。Cristiano等[17]基于單光子雪崩二極管設計了三維CMOS圖像傳感器。Han等[18]提出 MIS新型CMOS圖像傳感器結構,進行了等效應力的分析。基于以上研究基礎,本文選擇QFN和SOP兩種不同的封裝結構形式來設計圖像傳感器結構,同時進行芯片溫度分布的計算,為通過設計結構尺寸大小來研究分析圖像傳感器的熱學性能提供一定的參考。

1 圖像傳感器封裝形式

市場上圖像傳感器的封裝結構形式類型不一,價格差異也很大。圖像傳感器的結構復雜,因此在結構設計過程中采用非封閉式的封裝結構。本文主要采用QFN(Quad Flat No-lead Package,方形扁平無引腳封裝)和SOP(Small Out-Line Package,小外形封裝)兩種封裝形式對傳感器進行結構設計,同時優化結構尺寸,獲得最優的圖像傳感器結構形式。

1.1 QFN封裝形式

圖1所示為QFN的封裝內部結構和外形。

QFN封裝可以直接焊接在PCB板上,芯片通過粘結層與裸露的大面積焊盤連接,此時芯片產生的熱量可以直接傳導到焊盤上。熱量被有效地散發出去,這樣有利于降低芯片的熱阻,此封裝結構的最大優點就是能夠有效地將封裝體內的熱量散發出去。QFN封裝結構憑借其散熱良好和高功率的儲備能力,在電子產品結構設計中具有很大的優勢。同時QFN封裝具有感應系數和電容低的特點,封裝結構中的信號線連接比較短,可以節省封裝材料,而且性能能夠大幅度提高,特別適合用于對電學性能要求高的場合。QFN封裝結構能夠廣泛應用于傳感器行業,如溫度傳感器、壓力傳感器、氣體傳感器等。

圖1 QFN內部結構和封裝外形Fig.1 The internal structure and package outline of QFN

選用QFN封裝形式作為圖像傳感器的封裝,具有外形小、成本低、適用于大批量生產的特點;同時,QFN封裝形式的圖像傳感器還具有良好的散熱性能。

1.2 SOP封裝形式

SOP封裝又被稱為小外形封裝,它的主要特點就是體積小,廣泛應用于電子元器件的結構設計中。SOP封裝結構占PCB板的面積相對較小,因此電子產品中PCB板設計過程更加美觀,而且可靠性高。圖2所示為SOP的封裝外形和封裝內部結構。

圖2 SOP封裝外形和封裝內部結構Fig.2 The internal structure and package outline of SOP

2 圖像傳感器的結構設計

2.1 芯片結構設計

本文選用共面式的結構來設計圖像傳感器。芯片的結構共分為四層,從上而下分別為感光物質、電極、二氧化硅和襯底硅。圖像傳感器的工作原理為:當感光材料接收到外界傳來的物像之后,能把物像信息轉換為電信號,電信號經過特殊處理傳到顯示器,顯示器再把圖像還原并顯示出來。

為了尋找最佳的傳感器芯片結構尺寸參數,本文選取3種不同尺寸的芯片結構,具體如表1所示。

表1 芯片結構參數Tab.1 The parameters of chip structure mm

2.2 不同封裝形式的結構設計

本文采用Solid Works軟件設計QFN和SOP兩種封裝形式的圖像傳感器結構。針對結構尺寸,優化獲得最優的設計方案。

2.2.1 QFN封裝結構的圖像傳感器

依據封裝標準,在QFN的設計過程中每一種尺寸對應的引腳數和焊盤尺寸都不一樣。本文設計過程中采取3 mm×3 mm,4 mm×4 mm,5 mm×4 mm三種QFN封裝結構設計方案作為圖像傳感器的芯片封裝外形,最后選擇最優方案作為本次設計QFN封裝形式的結構方案。

本次設計在QFN封裝標準的基礎上對圖像傳感器的引腳和焊盤進行如下的設計,尺寸如表2所示。

表2 QFN焊盤和引腳尺寸Tab.2 The sizes of pad and pin for QFN mm

圖3(a)所示為QFN封裝結構的三維模型,圖3(b)為QFN封裝結構的尺寸俯視圖,所標尺寸為方案1的參數,方案2和方案3的結構設計差異為參數大小不同。

圖3 QFN封裝結構圖像傳感器模型Fig.3 The image sensor model of QFN package structure

2.2.2 SOP封裝結構的圖像傳感器

SOP封裝結構的圖像傳感器設計過程關鍵部分是引線框架。引線框架是半導體封裝的重要組成部分,其作用是支撐芯片和導熱。引線框架的材料有銅基、鋁基等,常用材料為銅基合金,熱導率為407 W/(m·K)。該材料在加工和制造過程中具有良好的力學性能和延展性能,同時還具有良好的導電性能。綜合上述銅基合金的優越性能,本文采用銅基合金的引線框架來設計SOP封裝結構的圖像傳感器。

在設計的過程中要考慮引線框架的基島設計和芯片的尺寸大小匹配。本文引線框架的厚度設置為0.2 mm,采用SOP-8L標準的引線框架對稱結構。該結構不僅可以節約成本,而且可以大批量生產,提高了小外形SOP圖像傳感器的生產效率。

圖4(a)為SOP封裝結構的圖像傳感器模型簡圖,圖4(b)為SOP封裝結構圖像傳感器的尺寸俯視圖,所標尺寸為方案2的參數,具體方案1和方案3的結構設計參數如表3所示。方案設計中厚度為0.2 mm,引腳尺寸為2.55 mm×0.4 mm,引腳間距為1.10 mm,芯片與引腳的間距為0.20 mm。

圖4 SOP封裝結構圖像傳感器模型Fig.4 The image sensor model of SOP package structure

表3 SOP結構芯片搭載臺和引線框架尺寸Tab.3 The sizes of platform and lead frame for SOP mm

3 不同封裝結構的穩態溫度對比分析

在上述SolidWorks軟件設計的模型基礎上,利用ANSYS軟件進行穩態分析。主要步驟是模型導入、劃分網格、施加載荷約束,求其結構的最高溫度和最低溫度。芯片采用1 W的功率芯片,采用體加載的方式,芯片的整體體積為0.58944 mm3。外表面對流換熱系數為0.00125 W/(mm2·℃),環境溫度為25℃,材料熱導率如表4所示。本次方案設計中要求最高溫度不超過80℃。

經計算獲得QFN和SOP兩種封裝結構的穩態溫度,如圖5和圖6所示。QFN封裝結構的3種方案最高溫度分別為56.596,40.766和39.051℃;SOP封裝結構的3種方案最高溫度分別為43.53,45.015和40.536℃。圖7所示為兩種封裝不同方案尺寸下結構的最高溫度值的對比。

表4 圖像傳感器封裝材料熱導率Tab.4 The thermal conductivities of package materials for image sensor

圖5 QFN3種設計方案芯片溫度分布Fig.5 The temperature distributions of QFN with three design structures

圖6 SOP三種設計方案芯片溫度分布Fig.6 The temperature distributions of SOP with three design structures

圖7 兩種封裝形式的溫度對比Fig.7 The temperature comparison of two different package structures

因此得出最優QFN封裝形式結構為QFN第3種設計方案,即芯片整體結構尺寸為2.5 mm×2 mm×0.4 mm,最優的SOP封裝形式結構為SOP的第3種方案,即芯片結構的全尺寸為3.0 mm×3.0 mm×0.36 mm。

經過模擬計算,QFN第3種方案的最高溫度為39.051℃,最低溫度為33.86℃,溫度分布比較均勻;SOP方案3的最高溫度為40.536℃,最低溫度為25.626℃,溫度分布情況相對于QFN的第3種方案來說最高溫度和最低溫度的跨度比較大,很明顯QFN第3種方案的散熱性能較好;從結構上來對比,QFN的整個芯片底層通過粘結層與整個焊盤相接,而SOP則是通過引線橋與引線框架相接,熱量通過引線橋傳遞給整個引線框架,QFN的接觸散熱面積要比SOP的接觸散熱面積要大,QFN的散熱效果比SOP的散熱效果要好。綜合上述分析,得到QFN結構的第3種方案比SOP結構的第3種方案的散熱性能好,同時考慮到結構簡單化和大批量生產等因素,本文設計的QFN方案3作為本次QFN和SOP封裝結構設計的最優方案。

4 結論

利用SolidWorks軟件設計了兩種不同封裝形式QFN和SOP的6種尺寸大小的圖像傳感器結構,并且利用有限元分析軟件ANSYS對其進行了穩態溫度分析。結果表明,QFN封裝結構的3種方案最高溫度分別為56.596,40.766和39.051℃;SOP封裝結構的3種方案分別為43.53,45.015和40.536℃。QFN第3種方案結構的最高溫度為39.051℃,最低溫度為33.86℃,相差5.191℃;SOP方案3結構的最高溫度為40.536℃,最低溫度為25.626℃,相差14.91℃。兩種方案相比,得出QFN結構設計的散熱性能要優于SOP,但SOP結構設計的整體溫度相對比較均勻。本文設計的最優方案為QFN的第3種設計方案,即芯片整體結構尺寸為2.5 mm×2 mm×0.4 mm。該研究工作對圖像傳感器的設計開發和批量生產具有重要的應用價值。