(桂林电子科技大学机电工程学院,广西桂林 541004)

随着科技的发展和时代的进步,人们对图像质量的追求越来越高,器件结构和功能的要求趋向于小型化、高精度化和多功能化。图像传感器备受人们关注。图像传感器通过接收图像信息并把此转换为电信号,传递到存储区或者显示设备上[1-2]。图像传感器属于电子信息产业中的光电器件,广泛运用于手机、数码相机、摄像机等电子光学设备上[3-6]。目前市场上对高清摄像需求量大,主要用于视频监控领域,然而目前大部分图像传感器无法保证清晰度高、体积小并且散热良好并存。根据传感器的元件不同,图像传感器又可以分为CCD(Charged Coupled Device)、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)和CIS(Contact Image Sensor)三大类[7-8]。CCD图像传感器具有灵敏度高、体积小、质量轻、线性度良好和影像失真的特点[9]。而CMOS图像传感器具有分辨率高、高帧速、抗辐射能力强、低成本、结构简单和成品率高的优点[10]。CIS是由多个系统含单一构件组合而成的集成模块,感光系统被分割成一个个正方形的感光单元[11]。CIS传感器具有外形小、价格低和结构简单的特点。设计结构合理的图像传感器成为学者研究的重点和难点。

在传感器的设计和优化方面,ANSYS分析软件被认为是可行的分析工具。邓天华[12]基于ANSYS对六角形卡盘夹紧力传感器的尺寸进行了优化设计,获得合理的内圆直径和内切圆直径比。高鹏飞等[13]基于ANSYS对磁通量传感器进行了设计,用磁导法计算分析传感器的磁通量。许斌等[14]基于ANSYS对压电四维力传感器进行了优化设计,研究压电式四维力传感器弹性膜对传感器灵敏度与固有频率的影响规律。曹效英等[15]利用ANSYS针对腕力传感器的维间干扰作了定量分析。王南飞等[16]基于ANSYS对新型聚合物石英压电传感器的振动性能进行了分析,发现传感器固有频率值随聚合物薄膜缺陷的半径值增大呈现出从稳定到发散的趋势,随薄膜的厚度值增大呈现出线性增大的趋势。Cristiano等[17]基于单光子雪崩二极管设计了三维CMOS图像传感器。Han等[18]提出 MIS新型CMOS图像传感器结构,进行了等效应力的分析。基于以上研究基础,本文选择QFN和SOP两种不同的封装结构形式来设计图像传感器结构,同时进行芯片温度分布的计算,为通过设计结构尺寸大小来研究分析图像传感器的热学性能提供一定的参考。

1 图像传感器封装形式

市场上图像传感器的封装结构形式类型不一,价格差异也很大。图像传感器的结构复杂,因此在结构设计过程中采用非封闭式的封装结构。本文主要采用QFN(Quad Flat No-lead Package,方形扁平无引脚封装)和SOP(Small Out-Line Package,小外形封装)两种封装形式对传感器进行结构设计,同时优化结构尺寸,获得最优的图像传感器结构形式。

1.1 QFN封装形式

图1所示为QFN的封装内部结构和外形。

QFN封装可以直接焊接在PCB板上,芯片通过粘结层与裸露的大面积焊盘连接,此时芯片产生的热量可以直接传导到焊盘上。热量被有效地散发出去,这样有利于降低芯片的热阻,此封装结构的最大优点就是能够有效地将封装体内的热量散发出去。QFN封装结构凭借其散热良好和高功率的储备能力,在电子产品结构设计中具有很大的优势。同时QFN封装具有感应系数和电容低的特点,封装结构中的信号线连接比较短,可以节省封装材料,而且性能能够大幅度提高,特别适合用于对电学性能要求高的场合。QFN封装结构能够广泛应用于传感器行业,如温度传感器、压力传感器、气体传感器等。

图1 QFN内部结构和封装外形Fig.1 The internal structure and package outline of QFN

选用QFN封装形式作为图像传感器的封装,具有外形小、成本低、适用于大批量生产的特点;同时,QFN封装形式的图像传感器还具有良好的散热性能。

1.2 SOP封装形式

SOP封装又被称为小外形封装,它的主要特点就是体积小,广泛应用于电子元器件的结构设计中。SOP封装结构占PCB板的面积相对较小,因此电子产品中PCB板设计过程更加美观,而且可靠性高。图2所示为SOP的封装外形和封装内部结构。

图2 SOP封装外形和封装内部结构Fig.2 The internal structure and package outline of SOP

2 图像传感器的结构设计

2.1 芯片结构设计

本文选用共面式的结构来设计图像传感器。芯片的结构共分为四层,从上而下分别为感光物质、电极、二氧化硅和衬底硅。图像传感器的工作原理为:当感光材料接收到外界传来的物像之后,能把物像信息转换为电信号,电信号经过特殊处理传到显示器,显示器再把图像还原并显示出来。

为了寻找最佳的传感器芯片结构尺寸参数,本文选取3种不同尺寸的芯片结构,具体如表1所示。

表1 芯片结构参数Tab.1 The parameters of chip structure mm

2.2 不同封装形式的结构设计

本文采用Solid Works软件设计QFN和SOP两种封装形式的图像传感器结构。针对结构尺寸,优化获得最优的设计方案。

2.2.1 QFN封装结构的图像传感器

依据封装标准,在QFN的设计过程中每一种尺寸对应的引脚数和焊盘尺寸都不一样。本文设计过程中采取3 mm×3 mm,4 mm×4 mm,5 mm×4 mm三种QFN封装结构设计方案作为图像传感器的芯片封装外形,最后选择最优方案作为本次设计QFN封装形式的结构方案。

本次设计在QFN封装标准的基础上对图像传感器的引脚和焊盘进行如下的设计,尺寸如表2所示。

表2 QFN焊盘和引脚尺寸Tab.2 The sizes of pad and pin for QFN mm

图3(a)所示为QFN封装结构的三维模型,图3(b)为QFN封装结构的尺寸俯视图,所标尺寸为方案1的参数,方案2和方案3的结构设计差异为参数大小不同。

图3 QFN封装结构图像传感器模型Fig.3 The image sensor model of QFN package structure

2.2.2 SOP封装结构的图像传感器

SOP封装结构的图像传感器设计过程关键部分是引线框架。引线框架是半导体封装的重要组成部分,其作用是支撑芯片和导热。引线框架的材料有铜基、铝基等,常用材料为铜基合金,热导率为407 W/(m·K)。该材料在加工和制造过程中具有良好的力学性能和延展性能,同时还具有良好的导电性能。综合上述铜基合金的优越性能,本文采用铜基合金的引线框架来设计SOP封装结构的图像传感器。

在设计的过程中要考虑引线框架的基岛设计和芯片的尺寸大小匹配。本文引线框架的厚度设置为0.2 mm,采用SOP-8L标准的引线框架对称结构。该结构不仅可以节约成本,而且可以大批量生产,提高了小外形SOP图像传感器的生产效率。

图4(a)为SOP封装结构的图像传感器模型简图,图4(b)为SOP封装结构图像传感器的尺寸俯视图,所标尺寸为方案2的参数,具体方案1和方案3的结构设计参数如表3所示。方案设计中厚度为0.2 mm,引脚尺寸为2.55 mm×0.4 mm,引脚间距为1.10 mm,芯片与引脚的间距为0.20 mm。

图4 SOP封装结构图像传感器模型Fig.4 The image sensor model of SOP package structure

表3 SOP结构芯片搭载台和引线框架尺寸Tab.3 The sizes of platform and lead frame for SOP mm

3 不同封装结构的稳态温度对比分析

在上述SolidWorks软件设计的模型基础上,利用ANSYS软件进行稳态分析。主要步骤是模型导入、划分网格、施加载荷约束,求其结构的最高温度和最低温度。芯片采用1 W的功率芯片,采用体加载的方式,芯片的整体体积为0.58944 mm3。外表面对流换热系数为0.00125 W/(mm2·℃),环境温度为25℃,材料热导率如表4所示。本次方案设计中要求最高温度不超过80℃。

经计算获得QFN和SOP两种封装结构的稳态温度,如图5和图6所示。QFN封装结构的3种方案最高温度分别为56.596,40.766和39.051℃;SOP封装结构的3种方案最高温度分别为43.53,45.015和40.536℃。图7所示为两种封装不同方案尺寸下结构的最高温度值的对比。

表4 图像传感器封装材料热导率Tab.4 The thermal conductivities of package materials for image sensor

图5 QFN3种设计方案芯片温度分布Fig.5 The temperature distributions of QFN with three design structures

图6 SOP三种设计方案芯片温度分布Fig.6 The temperature distributions of SOP with three design structures

图7 两种封装形式的温度对比Fig.7 The temperature comparison of two different package structures

因此得出最优QFN封装形式结构为QFN第3种设计方案,即芯片整体结构尺寸为2.5 mm×2 mm×0.4 mm,最优的SOP封装形式结构为SOP的第3种方案,即芯片结构的全尺寸为3.0 mm×3.0 mm×0.36 mm。

经过模拟计算,QFN第3种方案的最高温度为39.051℃,最低温度为33.86℃,温度分布比较均匀;SOP方案3的最高温度为40.536℃,最低温度为25.626℃,温度分布情况相对于QFN的第3种方案来说最高温度和最低温度的跨度比较大,很明显QFN第3种方案的散热性能较好;从结构上来对比,QFN的整个芯片底层通过粘结层与整个焊盘相接,而SOP则是通过引线桥与引线框架相接,热量通过引线桥传递给整个引线框架,QFN的接触散热面积要比SOP的接触散热面积要大,QFN的散热效果比SOP的散热效果要好。综合上述分析,得到QFN结构的第3种方案比SOP结构的第3种方案的散热性能好,同时考虑到结构简单化和大批量生产等因素,本文设计的QFN方案3作为本次QFN和SOP封装结构设计的最优方案。

4 结论

利用SolidWorks软件设计了两种不同封装形式QFN和SOP的6种尺寸大小的图像传感器结构,并且利用有限元分析软件ANSYS对其进行了稳态温度分析。结果表明,QFN封装结构的3种方案最高温度分别为56.596,40.766和39.051℃;SOP封装结构的3种方案分别为43.53,45.015和40.536℃。QFN第3种方案结构的最高温度为39.051℃,最低温度为33.86℃,相差5.191℃;SOP方案3结构的最高温度为40.536℃,最低温度为25.626℃,相差14.91℃。两种方案相比,得出QFN结构设计的散热性能要优于SOP,但SOP结构设计的整体温度相对比较均匀。本文设计的最优方案为QFN的第3种设计方案,即芯片整体结构尺寸为2.5 mm×2 mm×0.4 mm。该研究工作对图像传感器的设计开发和批量生产具有重要的应用价值。