KR20020002536A - 이미지센서의 칩 스케일 패키지 - Google Patents

이미지센서의 칩 스케일 패키지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 통상 재질의 마이크로렌즈를 적용하면서도 일반적인 패키지에서 보다 광집속효율을 증대시키는데 적합한 구조를 갖는 이미지센서의 칩 스케일 패키지(CSP)를 제공하고자 하는 것으로, 이를 위한 본 발명은, 최상부층에 마이크로렌즈를 갖는 이미지센서 칩을 패키지하기 위한 투명리드 및 상기 투명리드와 상기 이미지센서 칩 사이의 부착력 및 밀폐를 위하여 그 사이에 개재되는 접착층을 구비하는 이미지센서 칩스케일패키지(CSP)에 있어서, 상기 접착층과 상기 마이크로렌즈 사이에 개재되어 상기 마이크로렌즈상에 상기 마이크로렌즈의 단차를 따라 일정두께로 형성되며, 상기 접착층을 통해 상기 마이크로렌즈로 입사되는 광의 상대적인 굴절율 값을 증가시키기 위한 굴절율매칭층을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

Description

이미지센서의 칩 스케일 패키지{Chip Scale Package of Image Sensor}
본 발명은 이미지센서의 패키지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이미지센서의 칩 스케일 패키지(Chip Scale Package, 이하 CDP라 함)에 관한 것이다.
잘 알려진 바와 같이, CSP는 낮은 패키지 가격(Packaging Cost) 및 치밀한 패키지 면적(Dimension) 등으로 일반적인 전기소자 및 광전기소자에 널리 사용되고 있으며, 특히 CMOS 및 CCD 이미지센서 칩 제조 공정의 일환으로 패키지 공정이 이루어진다는 점에서 매우 효과적이기 때문에 이미지센서에 응용도가 매우 높은 패키징 방법이다.
그런데, 종래의 CSP를 광집속용 마이크로렌즈(Microlens)가 적용된 이미지센서에 응용할 경우, 광집속 효율이 일반적인 패키지에서보다 오히려 떨어지는 문제가 발생하는 바, 이를 이하에서 상세히 설명한다. 먼저, 종래의 CSP 구조에 대해 살펴보고, 이러한 구조에서 왜 마이크로렌즈가 적용된 이미지센서에 CSP를 응용할 경우 광집속 효율이 떨어지는지 그 이유를 살펴본다.
도1은 CSP가 아닌 일반적인 패키지 구조를 보여주고, 도2는 종래의 CSP 구조를 보여준다. 도면부호 100은 이미지센서 칩, 101은 마이크로렌즈, 102는 공기, 103은 플라스틱 또는 세라믹 패키지 바디(body), 104는 글래스 리드, 105는 리드프레임, 201은 제1접착층, 202는 제2접착층, 203은 투명리드(글래스), 204는 CSP 기판을 각각 나타낸다.
도1과 같이 일반적인 패키지는 통상의 제조공정으로 마이크로렌즈(101)까지 형성된 이미지센서(100)를 제조한 다음, 플라스틱 또는 세라믹으로 밀페하여 패키징하는 반면에, 도2와 같이 CSP 구조는 CSP 공정 진행시 이미지센서(100)와 투명 리드(transparent Lid)(203) 사이의 부착력 및 밀페를 위하여 접착층(Adhesive Material)(201)을 적용하게 된다.
이와 같이 종래의 CSP 방법에서는 공정상 이미지센서 디바이스와 투명 리드 사이에 접착 물질의 적용이 불가피하게 되는데, 이 접착 물질과 마이크로렌즈 물질 간의 굴절율 미스매치(Mismatch)로 인하여 도1의 일반적인 패키지에서보다 광집속 효율이 떨어지게 된다.
즉, 일반적인 패키지 구조에서는 광 투과 경로가 공기/글래스(플라스틱) 리드/공기/마이크로렌즈의 순으로 형성되고, 종래의 CSP에서는 공기/투명리드/접착층/마이크로렌즈 순으로 형성된다.
따라서, 일반적인 패키지에서의 마이크로렌즈의 상대적인 굴절율(Relative Refractive Index)은 아래 수학식 1과 같다. 하기 수학식에서 NMicrolense는 마이크로렌즈 굴절율, NAir는 공기 굴절율, NAdhesive Material 1은 마이크로렌즈 상부의 제1접착층을 각각 나타낸다.
이처럼 이미지센서에서 광 집속 효율에 직접적인 영향을 미치는 요인은 마이크로렌즈와 그 바로 위에 형성되는 매질과의 상대적인 굴절율인데, 상기 수학식1 및 수학식2에서 항상 NAir< NAdhesive Material 1이므로 마이크로렌즈를 적용한 이미지센서에 대한 종래의 CSP 구조는 일반적인 패키지에 나쁜 광-전기적 특성을 보이게 된다. 현재까지 개발된 접착 물질은 굴절율(Refractive Index)이 550nm 파장 빛에서 1.50 ∼ 1.60의 값을 가지므로 약 30 ∼ 50 %정도의 특성(External Quantum Efficiency, Sensitivity, Minimum Illumination, Frame rate etc.) 저하가 발생하게 된다.
이러한 문제점은 시뮬레이션을 통하여 명확히 이끌어낼 수 있는 바, 도3, 도4 및 도5를 참조하여 이를 구체적으로 살펴본다.
도3은 일반적인 패키지 구조에서 포토다이오드에 입사되는 광 투과 경로상에 위치하는 각 층들을 보여주고, 도4는 종래의 CSP 구조에서 포토다이오드에 입사되는 광 투과 경로상에 위치하는 각 층들을 보여준다.
도3을 참조하면, 일반적인 패키지 구조에서는 공기/글래스(플라스틱) 리드(104)/공기(102)/마이크로렌즈(10)/제1평탄화층(16)/칼라필터어레이(15)/제2평탄화층(14)/절연층(13)을 투과하여 광이 포토다이오드(12)에 입사된다. 절연층(13)은 금속증착전절연층, 금속층간절연층 등 다층의 절연층이다. 도면부호 11은 기판이다,
도4를 참조하면, 종래의 CSP 구조에서는 공기/투명리드(203)/제1접착층(201)/마이크로렌즈(101)/제1평탄화층(16)/칼라필터어레이(15)/제2평탄화층(14)/절연층(13)을 투과하여 포토다이오드(12)로 입사된다.
상기 두가지 광 경로에서 적용된 각 매질의 굴절율(550nm에서)는 표1과 같다.
일반적인 패키지 구조의 이미지센서 종래의 CSP 구조의 이미지센서
공기 1 공기 1
글래스 리드 1.54 투명 리드 1.53
공기 1 제1접착층 1.54
마이크로렌즈 1.58 마이크로렌즈 1.58
제1평탄화층 1.54 제2평탄화층 1.54
칼라필터어레이 1.6 칼라필터어레이 1.6
제2평탄화층 1.54 제1평탄화층 1.54
절연층 1.46 절연층 1.46
상기의 두가지 광 경로에서, 일반적인 패키지에서의 광 경로의 경우 마이크로렌즈의 상대적인 굴절율(Relative Refractive Index)은 1.58 정도의 값을 갖으며, 종래의 CSP 구조에서의 경우 마이크로렌즈의 상대적인 굴절율은 1.02 정도의 값을 갖게된다.
그러므로, 종래의 CSP를 적용한 이미지센서의 경우 일반적인 패키지를 적용한 이미지센서에 비하여 외부로부터 입사된 광이 최종 포토다이오드로 입사될 수 있는 확률은 매우 적게 된다.
도5는 일반적인 패키지 적용시 이미지센서의 레이 트레이싱(Ray Traching )을 나타내고, 도6은 종래 CSP 적용시 이미지센서의 레이 트레이싱을 나타낸다. 도5 및 도6을 통해서 알수 있듯이 일반적인 패키지에서는 포토다이오드(PD)에 도달하는 광이 93.80%인데 반하여 종래의 CSP에서는 60.80% 밖에 되지 않는다.
본 발명은 통상 재질의 마이크로렌즈를 적용하면서도 일반적인 패키지에서 보다 광집속효율을 증대시키는데 적합한 구조를 갖는 이미지센서의 칩 스케일 패키지(CSP)를 제공하는데 그 목적이 있다.
도1은 CSP가 아닌 일반적인 패키지 구조를 보여주는 단면도.
도2는 종래의 CSP 구조를 보여주는 단면도.
도3은 일반적인 패키지 구조에서 포토다이오드에 입사되는 광 투과 경로상에 위치하는 각 층들을 보여주는 단면도.
도4는 종래의 CSP 구조에서 포토다이오드에 입사되는 광 투과 경로상에 위치하는 각 층들을 보여주는 단면도.
도5는 일반적인 패키지 적용시 이미지센서의 레이 트레이싱(Ray Traching )을 나타내는 도면.
도6은 종래 CSP 적용시 이미지센서의 레이 트레이싱을 나타내는 도면.
도7은 본 발명에 따른 CSP 구조를 나타내는 단면도.
도8은 도7에서 포토다이오드로 입사되는 광 경로를 나타내는 도면.
도9는 본 발명의 CSP 적용시 이미지센서의 레이 트레이싱을 나타내는 도면.
상기 목적을 달성하기 위하여 안출된 본 발명은, 최상부층에 마이크로렌즈를 갖는 이미지센서 칩을 패키지하기 위한 투명리드 및 상기 투명리드와 상기 이미지센서 칩 사이의 부착력 및 밀폐를 위하여 그 사이에 개재되는 접착층을 구비하는 이미지센서 칩스케일패키지(CSP)에 있어서, 상기 접착층과 상기 마이크로렌즈 사이에 개재되어 상기 마이크로렌즈상에 상기 마이크로렌즈의 단차를 따라 일정두께로 형성되며, 상기 접착층을 통해 상기 마이크로렌즈로 입사되는 광의 상대적인 굴절율 값을 증가시키기 위한 굴절율매칭층을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도7은 본 발명에 따른 CSP 구조를 나타내고, 도8은 도7에서 포토다이오드로 입사되는 광 경로를 나타낸다. 종래의 CSP와 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호를 인용하였다.
도7 및 도8을 참조하면, 본 발명에 따른 CSP 구조에서는 마이크로렌즈(101)와 접착층(203) 사이에 굴절율 매칭을 위한 재질의 굴절율매칭층(700)이 개재되어 있다. 즉, 접착층(203)에서 마이크로렌즈(101)로 광이 진행할때 광이 느끼는 상대적인 굴절율 값을 공기에서 마이크로렌즈로 진행할때 광이 느끼는 상대적인 굴절율 1.58 이상의 값을 가질 수 있도록, 접착층(203)과 마이크로렌즈 사이에 마이크로렌즈의 굴절율보다 큰 2.0 이상의 굴절율을 갖는 굴절율매칭층(700)을 형성시킨다.
특히 굴절율매칭층(700)은 마이크로렌즈의 반구 형상을 따라 일정두께로 형성되는바, 마이크로렌즈(101) 상에서 굴절율매칭층(700) 역시 반구형상을 갖는다. 이에 의해 접착층(203)에서 굴절율매칭층(700)로 광이 진행할때 광이 느끼는 상대적인 굴절율을 1.58 이상으로 얻을 수 있고, 따라서 적어도 일반적인 패키지에서 보다 높게 최종 포토다이오드로 입사될 수 있는 입사광의 확률을 향상시킬 수 있다.
굴절율매칭층(700)으로는 2.0 이상의 굴절율을 가지면서 가시광 영역(400nm~700nm)의 광 흡수가 1% 이하인 무기물의 재질을 이용하는 것이 바람직하며, 그런 물질로서 200℃ 이하의 저온 PECVD(Plasma Enhanced CVD)를 이용한 실리콘옥시나이트라이드 또는 실리콘나이트라이드를 예로써 들 수 있다. 또한 200℃이하의 저온 스퍼터링(Sputtering) 또는 200℃ 이하의 저온 전자빔증착법을 이용한 타이타늄옥사이드(TiO2), 지르콘옥사이드(ZrO), 지르코늄옥사이드(ZrO2) 및 징크설파이드(ZnS) 등을 굴절율매칭층으로 사용가능 하다.
도8을 참조하면 본 발명에 따른 이미지센서에서의 광 경로는 공기/투명 리드(203)/접착층(201)/굴절율매칭층(700)/마이크로렌즈(101)/제1평탄화층(16)/칼라필터어레이(15)/제2평탄화층(14)/절연층(13)을 투과하여 포토다이오드(12)로 입사된다.
도9는 본 발명의 CSP 적용시 이미지센서의 레이 트레이싱을 나타낸다. 상기 시뮬레이션 결과에 나타난 바와 같이 본 실시예에서 광이 포토다이오드에 도달하는 확률은 97.20%로서 매우 높다.
아래 표2, 표3 및 표4는 앞서 설명한 도5, 도6 및 도9의 시뮬레이션을 위한각 패키지별 조건을 나타내는 것으로, 표2는 패키지별 각 매질의 특성치를, 표3은 레이 트레이싱을 위한 단위화소 조건을, 표4는 레이 트레이싱 결과를 각각 나타낸다.
항 목 일반적인 패키지 종래의 CSP 본 발명 CSP
굴절율 두께(um) 굴절율 두께(um) 굴절율 두께(um)
제1접착층 None -- 1.54 -- 1.54 --
굴절율매칭층 None -- None -- 2.43 1
마이크로렌즈 1.58 3.5 1.58 3.5 1.58 3.5
제1평탄화층 1.54 2 1.54 2 1.54 2
칼라필터어레이 1.6 1 1.6 1 1.6 1
제2평탄화층 1.54 2 1.54 2 1.54 2
절연층 1.46 65 1.46 5 1.46 5
항 목 면적 리마크(Remark)
단위화소 크기 10.0㎛ Area : 10㎛×10㎛(square)
포토다이오드 크기 5.0㎛ Area : 5㎛×5㎛(Fill Factor 25%)
마이크로렌즈 폭 9.0㎛ 단위화소크기의 90%
굴절율매칭층 폭 9.3㎛
마이크로렌즈 높이 3.5㎛
굴절율매칭층 두께 1.0㎛
항 목 일반적인 패키지 종래의 CSP 본 발명 CSP
포토다이오드에 광이 도달할 확률 (%) 93.8% 60.8% 97.2%
상대적 확률 100.0% 64.8% 103.6%
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명의 칩 스케일 패키지(CSP)는 알려진 통상 재질의 마이크로렌즈를 적용하면서도 일반적인 패키지 및 종래의 CSP에서 보다 광집속효율을 증대시킨다.

Claims (5)

  1. 최상부층에 마이크로렌즈를 갖는 이미지센서 칩을 패키지하기 위한 투명리드 및 상기 투명리드와 상기 이미지센서 칩 사이의 부착력 및 밀폐를 위하여 그 사이에 개재되는 접착층을 구비하는 이미지센서 칩스케일패키지(CSP)에 있어서,
    상기 접착층과 상기 마이크로렌즈 사이에 개재되어 상기 마이크로렌즈상에 상기 마이크로렌즈의 단차를 따라 일정두께로 형성되며, 상기 접착층을 통해 상기 마이크로렌즈로 입사되는 광의 상대적인 굴절율 값을 증가시키기 위한 굴절율매칭층을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 이미지센서 칩스케일패키지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 굴절율매칭층은 가시광 영역 광의 흡수가 1% 이하인 무기물의 재질임을 특징으로 하는 이미지센서 칩스케일패키지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 굴절율매칭층은 화학기상증착에 의한 실리콘옥시나이트라이드 또는 실리콘나이트라이드임을 특징으로 하는 이미지센서 칩스케일패키지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 굴절율매칭층은 타이타늄옥사이드(TiO2), 지르콘옥사이드(ZrO), 지르코늄옥사이드(ZrO2) 또는 징크설파이드(ZnS)중 선택된 어느 하나임을 특징으로 하는 이미지센서 칩스케일패키지.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 굴절율매칭층을 스퍼터링증착 또는 전자빔증착에 의해 증착하는 것을 특징으로 하는 이미지센서 칩스케일패키지.
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