CIS的TSV封装工艺

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硅通孔技术根据字面意思和电镀铜的填充方式可以分为两大类：一种是深径比（Aspect Ratio）较小的，孔铜为等壁生长的TSV镀铜，如影像传感器、指纹识别芯片的封装大多依照该方式进行；另一种是超级填充（Super Filling）电镀铜的TSV，以MEMS等为代表。CIS（CMOS Image Sensor）的TSV封装工艺是属于TSV狭义概念的硅通孔工艺，通过硅穿孔将上下线路连通达成目的，还没有上升到3D集成的高度，与行业内SiP所讲的TSV系统集成的概念有所区别。但CIS封装是目前一个重要的封测工艺组成部分，本文将其纳入TSV范畴予以阐述。

影像传感器是将光信号转换为电信号的装置。影像传感芯片主要有两种：CCD和CMOS，前者由光电耦合器件构成，后者由金属氧化物器件构成。与CCD相比，CMOS影像传感器具有图框显示率快、高度的整合性（可减少周边组件使用量，降低系统成本），以及较低的功耗等特性，且CIS是标准工艺制程，在制造成本、产品售价方面具有明显的优势，因此CIS近年来在照相手机应用中得到快速发展。从2007年3月日本东芝公司首次采用TSV技术的晶圆级封装的小型影像传感器模组开始至今，这项技术不断吸引全球主要影像传感器厂商陆续投入以TSV制造照相模组的行列。2008年全球CIS出货数首次超越CCD影像传感器出货数。近几年，随着CIS技术的发展，CCD技术在市场中所占比重已大幅下降。CMOS影像传感器（CIS）是模拟电路和数字电路的集成，主要由四个组件构成：微透镜、彩色滤光片（CF）、光电二极管（PD）、像素设计。

影像传感器的蓬勃发展，大部分受益于照相手机（Camera Phone）。手机从之前打电话、发信息单一功能的“大哥大”走向了多媒体功能，可以满足音乐、视频、上网、拍照、办公和娱乐等需求。2000年，夏普首次推出可拍照的手机，随后智能手机时代到来，主摄像头像素不断提升，摄像头从单一走向了双摄和多摄。尽管2019年智能手机销量低迷，但手机影像传感器的销售却实现约20%的增长。另外随着安全监控市场的兴起，全球汽车电子、医疗器械、军用领域也为影像传感器创造可观的应用规模，影像传感器市场的需求将不断攀升。2017年CMOS影像传感器同比增长达到20%, 2018年全球CIS市场规模155亿美元，预计2020年增长10%，达到170亿美元。鉴于影像传感器的迅猛发展，其芯片采用的TSV封装工艺（有别于传统的Bumping工艺）将成为封装行业的重要工艺组成部分。目前国内以华天科技为代表的数家企业均具有CIS封装工艺量产能力。

在该工艺流程（见下图）中出现的化学镍金制程，是属于凸块下金属化（Under-Bump Metallization, UBM）重要结构，化学镍金或者镍钯金工艺不仅仅针对CIS封装，一般作为打线、焊料或锡球置底的UBM都可以采用化学镍（钯）金提高可靠性。其中镍层为阻挡层，可以防止铝或者铜基材与焊料或金线的扩散；钯层具有双重作用，既为阻挡层进一步降低扩散，还具有良好的打线键合作用；金层具有良好的抗氧化能力，也具有良好的打线功能。化学镍金或者镍钯金是指在铜基或铝基的UBM焊盘上经过多道前处理后，利用化学镀的方式，先沉积一层2～5微米的镍，再沉积一层钯，钯表面再沉积一层金。对于一般产品，采用镍金结构即可满足要求，对于可靠性要求较高的产品，建议采用化学镍钯金结构。当应用于无铅焊料（SAC 305锡膏）焊接时，化学镍钯金的厚度为钯层0.05～0.1微米、金层0.05～0.1微米；当应用于打线键合时，化学镍钯金的厚度为钯层0.1～0.2微米、金层0.1～0.2微米（质量优先）或者金层0.05～0.1微米（成本考虑）。

CIS封装工艺流程示意图

镍钯金化学镀示例图

长期以来，化学镀金往往采用氰化亚金钾作为主盐，随着环保要求日趋严格，行业内开始采用无氰化学金的方式代替氰化物镀金，并且已经有了成熟的市场应用案例。相对于电镀，化学镀的优点明显。化学镀对设备的要求较低，金槽开缸浓度低，镀层均一性好，可以节省金盐，降低成本。另外，化学镀生产效率较高，且化学镀区域可以是独立焊盘，不受图形线路限制。由于化学镀具有投资低的优势，近年来有人尝试利用化学镀铜的方式来代替真空镀铜。

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