Въведение
В днешната цифрова ера CMOS сензорите за изображения се превърнаха в незаменими основни компоненти в области като смартфони, охранително наблюдение, автомобилна електроника и медицински устройства. Въпреки това, производителността на сензорния чип зависи не само от собствения му дизайн и производство, но и критично от процеса на опаковане. Опаковката предпазва крехкия чип от външни фактори на околната среда (като прах, влага и механично напрежение) и е отговорна за установяването на електрически връзки и термично управление между чипа и външната верига. То пряко влияе върху производителността, размера, цената и надеждността на сензора
Сред многото технологии за опаковане, CSP, COB и PLCC са три основни процеса, прилагани в областта на CMOS сензорите. Всеки има свой уникален процес, технически характеристики и сценарии на приложение. Тази статия ще предостави-задълбочен анализ на тези три метода на опаковане, помагайки на читателите да разберат напълно техните разлики и критерии за избор чрез сравнителен анализ.
I. Подробно обяснение на процесите на опаковане
1. CSP - чип скален пакет
CSP означава Chip Scale Package. Както подсказва името, основната му характеристика е, че размерът на пакета е почти идентичен с размера на ядрото на самия чип. По стандарт съотношението на сърцевината към площта на опаковката обикновено не надвишава 1:1,1.
Поток на процеса:
CSP е форма на опаковка, обработена на ниво вафла. Основният процес включва директна обработка на микролещите и цветните филтри (ако е необходимо) върху пластината със завършената верига, последвана от формиране на решетъчна решетка чрез процес на блъскане и накрая нарязване на пластината на отделни сензорни единици. При производството на модули за камери сензорите, използващи CSP опаковка, обикновено се монтират директно върху печатната платка с помощта на SMT машини за поставяне.
2. COB - Чип на борда
COB означава Chip On Board. Това е технология за опаковане, при която чистата матрица е директно монтирана и електрически свързана към крайната платка.
Поток на процеса:
Процесът COB е по-сложен, основно се провежда на ниво индивидуален чип и обикновено изисква клас 1000 или дори клас 100 чиста стая.
- Прикрепване на матрицата: Нарязаният гол чип ( матрица ) се прикрепя към определеното място на печатната платка с помощта на топлопроводима епоксидна смола (напр. сребърна паста).
- Втвърдяване: Сребърната паста се втвърдява чрез нагряване, закрепвайки здраво чипа.
- Свързване на проводници: Използвайки златни или алуминиеви проводници, подложките на чипа се свързват към съответните подложки на печатната платка чрез свързване чрез термокомпресия, ултразвуково заваряване или термозвуково заваряване.
- Тестване и запечатване: Извършва се предварителен електрически тест. След това се разпределя специална черна епоксидна смола или смола, за да покрие чипа и златните проводници за защита. Това е последвано от окончателно втвърдяване и крайно тестване.
3. PLCC - Пластмасов носител за чипове
PLCC означава Plastic Leaded Chip Carrier. Това е по-стар тип пакет за-повърхностно монтиране, при който проводниците се простират от всичките четири страни на тялото на пакета и се огъват надолу в конфигурация на проводници "J"-.
Поток на процеса:
- Опаковането на PLCC включва предварително-опаковане на чипа, за да се образува независим компонент със стандартна форма и щифтове.
- Чипът е прикрепен към оловна рамка.
- Вътрешните електрически връзки се осъществяват чрез свързване на проводници.
- Сглобката е формована и капсулована с пластмасов материал.
- Формираният PLCC сензор, като стандартен компонент, се монтира върху печатната платка с помощта на повторно запояване.
II. Сравнителна таблица на основните характеристики
| Сравнително измерение |
CSP опаковка
|
PLCC опаковка
|
Опаковка COB
|
| Структура на пакета | Без{0}}скоба, директно опаковане на чипове | Пластмасово тяло на опаковката + J--образни щифтове + оловна рамка | Гол чип, директно монтиран върху печатна платка, свързване на проводници + заливане |
| Размер | Най-малък (около 1,2 пъти размера на чипа) | Среден (по-малък от DIP, по-голям от CSP) | Малък (без самостоятелно тяло на опаковката, най-ниска височина) |
| Характеристики на щифта | Без открити щифтове, свързани чрез неравности | J{0}}образно извити навътре, 18-84 щифта | Без независими щифтове, свързани чрез свързващи проводници |
| Цена на опаковката | Относително висока (сложен процес, единична цена 3-5 пъти по-висока от SMD) | Среден (балансирани разходи за материали и процеси) | Най-нисък (елиминира скоби и независими процеси на опаковане) |
| Ефективност на разсейване на топлината | Добър (тънък слой на опаковката, висока топлопроводимост) | Средно (съществува топлинна устойчивост в пластмасовото тяло на опаковката) | Добър (директен контакт между чип и печатна платка) |
| Надеждност | Средна (средна устойчивост на удар, податлива на замърсяване) | Относително висока (пластмасова опаковка + защита на оловна рамка, добра механична якост) | Средна (защита от гърне, нисък процент на мъртви пиксели, но уязвим на силен удар) |
| Поддържаемост | Сравнително лесно (с възможност за преработване за повърхностно замърсяване) | Сравнително лесен (щифтове лесни за разглобяване, удобни за преработка) | Изключително трудно (голите чипове не могат да се сменят поотделно след засаждане) |
| Приложение | Миниатюризирани, високо{0}}производителни устройства | Вериги със средна{0}}сложност, традиционно електронно оборудване | Разходо{0}}чувствителни сценарии със свободни изисквания за размер |
III. Подробни предимства и недостатъци на всеки метод на опаковане
CSP опаковка
Предимства:
- Ултра{0}}компактният размер поддържа миниатюризацията на крайните устройства, особено подходящ за микрокамери в мобилни телефони, смарт часовници и др., минимизирайки размера на сензора и спестявайки място за модули на лещи.
- Отлична електрическа производителност: Късите пътища на взаимно свързване намаляват загубата на сигнал и подобряват скоростта на предаване на данни.
- Добра ефективност на разсейване на топлината: Тънкият опаковъчен слой и липсата на пречка за скобата улесняват разсейването на топлината от сензора.
Недостатъци:
- Високите изисквания за прецизност на процеса водят до значително по-високи разходи за опаковане в сравнение с другите два метода.
- Слабо пропускане на светлина: Стъклената защитна повърхност може да причини призраци поради проникване на задно осветление, което да повлияе на качеството на изображението на CMOS сензорите.
- Слаба устойчивост на замърсяване: Въпреки че може да се преработи, той все още има определени изисквания за производствената среда.
PLCC опаковка
Предимства:
- Висока надеждност: Комбинацията от пластмасово тяло на опаковката и метална оловна рамка осигурява отлична устойчивост на удар и вибрации.
- Удобен монтаж и преработване: J--образните щифтове улесняват повторното запояване и са лесни за разглобяване.
- Стабилна производителност на сигнала: Разумната стъпка на щифтовете намалява смущенията между щифтовете, подходящо за средно{0}}предаване на сигнал.
Недостатъци:
- Големият размер на опаковката го прави неспособен да отговори на нуждите от миниатюризация на микро CMOS сензорите
- Ограничена плътност на щифтовете, което затруднява адаптирането към сложни сензорни чипове с голям брой щифтове.
- Средно разсейване на топлината: Ниската топлопроводимост на пластмасовите материали ги прави неподходящи за високо-мощни сензори.
Опаковка COB
Предимства:
- Значително предимство в разходите: Елиминира скобите и независимите процеси на опаковане, което води до най-ниските разходи за материали и процеси.
- Най-ниска височина на опаковката, допринасяща за общата тънкост на модула и подходяща за устройства, чувствителни към дебелината.
- Усъвършенстван процес и висока степен на интеграция: Поддържа мулти{0}}чипове-субстратни опаковки, със скорост на мъртви пиксели, която може да се контролира в рамките на 5 на 100 000.
Недостатъци:
- Изключително лоша поддръжка: Голите чипове не могат да се сменят поотделно след засаждане, което изисква подмяна на целия субстрат в случай на повреда.
- Строги изисквания за производствената среда: монтажът на печатни платки изисква защита от прах и влага, тъй като чистите чипове са податливи на замърсяване.
- Дълго време на процеса и големи колебания в степента на добив, изискващи строг контрол на процеса.
IV. Специфични разлики в CMOS сензорите
1. Адаптивност на размера и формата
- Опаковката CSP е основният избор за миниатюризация на CMOS сензори, особено за микрокамери в преносими устройства като мобилни телефони и смарт часовници. Може да минимизира размера на сензора и да спести място за модулите на лещите.
- Поради ограниченията на размера опаковката PLCC се използва само в няколко CMOS сензора със свободни изисквания за размер, като ранни камери за наблюдение или промишлени сензори с ниска-разделителна способност, и постепенно е заменена.
- Въпреки че опаковката COB има най-ниската височина, тя изисква запазено пространство за залепване и заливане. Използва се най-вече в сензорни модули, чувствителни към цената и със свободни ограничения на размера, като например наблюдение за сигурност и след-автомобилни устройства.
2. Въздействие върху производителността на изображенията
- Стъклената защитна повърхност на CSP опаковката намалява пропускливостта на светлината, което може да повлияе на чувствителността на CMOS сензорите. Необходима е оптична оптимизация на дизайна, за да се компенсира ореола.
- Пластмасовото тяло на опаковката и разположението на щифтовете на PLCC опаковката имат малка смущения в светлината, но пътят на сигнала е по-дълъг от този на CSP, което може да причини забавяне на сигнала при високо-скоростните сензори за изображения.
- COB опаковката няма допълнителен опаковъчен слой, който да блокира светлината, теоретично постигайки по-висока светлочувствителност. Голите чипове обаче са директно изложени на заливане; неправилното предотвратяване на прах може да доведе до петна по повърхността на сензора, което да повлияе на качеството на изображението.
3. Контрол на процесите и разходите
- CMOS сензорите с опаковка CSP имат кратко време за обработка и ниски разходи за оборудване, но високи единични цени на чипа. Те са подходящи за водещи устройства от среден{1}}до-висок-клас, преследващи изключителна производителност и размер.
- Сензорите с PLCC опаковка имат силна съвместимост на процеса и ниски разходи за поддръжка, но по-високи разходи за материали от COB. Подходящи са за индустриални сензори с високи изисквания за надеждност.
- Сензорите с COB опаковка имат най-ниските разходи за опаковане, но изискват големи инвестиции в технологично оборудване и срещат трудности при контрола на степента на добив. Те са подходящи за сензори от среден{1}}до-нисък-крайен потребител-клас или масово-произвеждано оборудване за наблюдение.
4. Адаптивност към околната среда
- Пакетираните сензори CSP- имат слаба устойчивост на удар и са предразположени към повреда в тежки среди, което ги прави по-подходящи за сценарии с нормална вътрешна температура.
- Пакетираните с PLCC- сензори имат добра механична защита и стабилни J--образни щифтови връзки, адаптиращи се към умерено тежки среди, като например автомобилни и промишлени приложения.
- COB-пакетираните сензори постигат защита на ниво IP65 чрез заливане, без мъртви ъгли при обработката. Те имат силна устойчивост на влага, топлина и солени пръски, подходящи за сложни среди, като например външно наблюдение.
V. Препоръки за избор на опаковка на CMOS сензор
1. Потребителска електроника (смартфони, смарт носими устройства)
- Основни нужди: малък размер, висок пиксел, бързо предаване на данни
- Препоръчва се: CSP опаковка
- Причина: Подходящ за тънък/лек дизайн, намалява загубата на сигнал за ясни изображения с висока-резолюция; забележка: балансирани разходи за средно-ниски-крайни продукти.
2. Наблюдение за сигурност, евтини-интелигентни домашни камери
- Основни нужди: Ниска цена, стабилна дългосрочна-употреба
- Препоръчва се: COB опаковка
- Причина: спестява разходи за опаковка, добро разсейване на топлината; забележка: поддържайте чисти, за да избегнете петна от изображения.
3. Традиционно промишлено откриване, поддържано оборудване
- Основни нужди: Лесен ремонт, анти{0}}вибрация
- Препоръчва се: PLCC опаковка (допълнителна)
- Причина: Лесен за разглобяване, издръжлив; забележка: не е за сензори с голям-пиксел/малък-размер.
Резюме
Технологиите за опаковане CSP, COB и PLCC формират трите крайъгълни камъка за приложението на CMOS сензорите за изображения. Всеки има своите предимства и недостатъци, отговаряйки на различни пазарни изисквания и продуктово позициониране. CSP, със своитекомпактност и икономичност, популяризира камерите; COB заема пазара-от висок клас със своитеотлична производителност и надеждност; докато PLCC е свидетел на развитието на технологията за опаковане и все още играе роля в определени области.
Тъй като технологията продължава да се развива, по-модерните технологии за опаковане и интегриране катоFlip{0}}ChipиОптика-за ниво на вафлисъщо се развиват. Въпреки това, разбирането на тези фундаментални и основни процеси на опаковане-CSP, COB и PLCC-е от решаващо значение за проектирането, производството и подбора на продукта, като служи като ключ към отключването на света на приложенията на CMOS сензори.
