씨모스이미지센서 및 이를 사용한 카메라 장치{CMOS image sensor and camera system using the same}

본 발명은 CMOS 이미지센서(image sensor) 및 이를 사용한 카메라(camera) 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 이미지센서라 함은 광학 영상(optical image)을 전기 신호로 변환시키는 반도체소자로서, 이중 전하결합소자(CCD : charge coupled device)는 개개의 MOS(Metal-Oxide-Silicon) 커패시터가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하 캐리어가 커패시터에 저장되고 이송되는 소자이며, CMOS 이미지센서는 제어회로(control circuit) 및 신호처리회로(signal processing circuit)를 주변회로로 사용하는 CMOS 기술을 이용하여 화소수만큼 MOS트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력(output)을 검출하는 스위칭 방식을 채용하는 소자이다. CMOS 이미지센서는 저저련 소비라는 큰 장점을 가지고 있기 때문에 휴대폰 등 개인휴대용 시스템에 매우 유용하다.

도 1은 통상적인 CMOS 이미지센서의 단면도로서, 픽셀(pixel) 어레이(array) 부분과 주변회로부분을 구분하여 도시하고 있다.

도 1을 참조하면, 픽셀어레이부분은 기판에 포토다이오드 및 트랜지스터 등에 의해 픽셀을 구성하는 소자들과 금속배선이 형성된 다음, 그 상부에 패시베이션층(102)이 형성된다. 패시베이션층(102) 상에는 예컨대 레드(R), 그린(G), 블루(B)와 같은 칼라필터어레이(color filter array)(104)가 형성되고, 그 상부에 칼라필터어레이(104)에 의해 발생된 단차를 평탄화시키고 초점거리를 조절하기 위한 OCL층(over coating layer)(106)이 형성된다. OCL층(106) 상에는 각 칼라필터에 대응되도록 집광을 위한 마이크로렌즈(microlens)(108)가 형성된다. 칼라필터어레이(104), OCL층(106) 및 마이크로렌즈(108)의 재질로는 통상적으로 포토레지스트가 이용된다.

주변회로부분은 회로를 구성하는 소자들과 금속배선이 형성된 다음, 패시베이션층(102)이 형성된다. 주변회로부분은 픽셀어레이부분과는 달리 칼라구현 및 광집속이 필요없기 때문에 패시베이션층(102) 상에 OCL층(106)만이 형성되게 된다. 즉, 칼라필터어레이 공정 및 마이크로렌즈 공정은 증착, 마스크 및 식각 기술이 사용되는 바, 각 제조 공정시 주변회로영역에 증착된 칼라필터 물질 및 마이크로렌즈 물질은 식각시 제거되는 것이다.

상기한 구조의 CMOS 이미지센서를 휴대폰 등에 사용하기 위해서는 인쇄회로기판(PCB) 상에 CMOS 이미지센서 칩을 로딩한 다음, 렌즈를 형성하여 카메라 모듈을 형성하여야 한다.

도 2는 종래기술에 따른 카메라 모듈을 나타낸다.

도 2를 참조하면, 종래의 카마라 모듈은 인쇄회로기판(PCB, 202) 상에 에폭시(212)를 통해 패키지 레벨의 CMOS 이미지센서 칩(204)이 로딩되고, 그 상부에 일정거리 이격되어 렌즈(206)가 형성된다. 렌즈(206)를 지지하기 위한 렌즈하우징(208)은 칩(204) 주변의 인쇄회로기판(202)에 역시 에폭시(210)를 통해 접촉되어 고정되어 있다. 렌즈(206)과 칩(204) 사이에는 적외선(infrared ray) 필터(filter)(210)가 렌즈하우징부(208)에 지지되어 형성되어 있다.

한편, 휴대폰 등에 상기한 카메라모듈을 적용하기 위해서는 휴대폰의 경소단박에 대응되어 렌즈(206)와 CMOS 이미지센서 칩(204)간의 거리(도 2의 D)가 짧아져야 하고, 더욱이 일정 초점거리를 유지하여 한다. 다시 말해서 초점거리(D)가 짧아지면서 그 초점거리는 일정한 값을 유지하여야 한다.

그러나 도 2에 도시된 종래의 카메라 모듈에서는 원하는 이미지의 결상을 위하여 어느정도 초점거리(D)가 클 수밖에 없고, 더욱이 에폭시(212)의 두께가 수백 ㎛임을 감안하면 일정 초점거리(D)를 유지시키는데 한계가 있게 된다.

따라서, 이를 개선하기 위하여, 인쇄회로기판 상에 렌즈를 고정시키는 것이 아니라, 패키지되지 않은 베어(bare) 칩 상에 직접 렌즈를 지지시켜 일정한 초점거리를 유지시키고자 하는 기술이 제시되고 있다.

도 3a는 개선된 종래기술에 따른 카메라모듈의 평면도로서, 베어(bare) 칩(310)의 모서리 4곳(310a, 310b, 310c, 310d)에 직접 렌즈(320)가 지지되어 형성됨을 유의하여야 한다. 도면부호 '330'은 패드 본딩을 나타낸다.

도 3b는 도 3a의 A-A'에 따른 단면도이다. 인쇄회로기판(300) 상에 패키지 되지 않은 베어칩(10)이 로딩되고, 베어칩의 모서리에 렌즈(320)가 지지되어 구성되어 있으며, 렌즈(320)의 재질은 투명 플라스틱이다.

상기한 바와 같은 개선된 종래기술의 카메라 모듈은 초점거리를 일정하게 유지할 수 있다는 장점이 있으나, CMOS 이미지센서 칩(310)의 사이즈가 커져야 한다는 문제점과 또한 칩(310)이 쉽게 파괴된다는 문제점이 있다.

즉, CMOS 이미지센서 칩(310)의 가장자리에는 다수의 패드가 형성되어 본딩이 이루어지는 바, 개선된 종레기술에서는 칩의 네 모서리 일정영역을 렌즈 지지를 위해 할당하여야 하기 때문에, 원하는 패드의 개수를 유지시키기 위해서는 종래보다 칩 사이즈가 커질 수 밖에 없고, 이에 따라 웨이퍼당 생산되는 다이(die)의 개수가 줄어드는 문제점이 있다. 그리고, 칩의 모서리는 압력에 대하여 매우 약하기 때문에 모서리 지역에 렌즈가 올려지므로 해서 이 지역이 쉽게 파손되는 문제가 있다.

본 발명은 상기 한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 초점거리 유지가 매우 용이함과 동시에 CMOS 이미지센서 칩 사이즈의 감소 및 칩 파손 방지에 적합한 카메라 모듈을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 통상적인 CMOS 이미지센서의 단면도.

도 2는 종래기술에 따른 카메라 모듈의 단면도.

도 3a는 개선된 종래기술에 따른 카메라 모듈의 평면도.

도 3b는 도 3a의 a-a'에 따른 단면도.

도 4a는 본 발명의 일실시예에 따른 CMOS 이미지센서 칩의 평면도.

도 4b는 도 4a의 B-B'선에 따른 칩(400)의 단면도.

도 5는 도 4a의 CMOS 이미지센서 칩을 사용한 카메라 모듈을 도시한 단면도.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 카메라 장치는, 인쇄회로기판 상에 형성된 CMOS 이미지센서 칩; 및 CMOS 이미지센서 칩 상에 지지되어 형성되되, 상기 CMOS 이미지센서 칩의 픽셀어레이부분에 근접한 주변회로부분에 지지되어 형성된 렌즈부를 포함하며, 상기 CMOS 이미지센서 칩은 상기 렌즈부와 접촉되는 영역에 칩 레벨의 버퍼층을 구비하는 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.

도 4a는 본 발명의 일실시예에 따른 CMOS 이미지센서 칩의 평면도이다.

도 4a를 참조하면, CMOS 이미지센서 칩(400)의 중앙부분는 픽셀어레이부분(410)이고, 그 밖의 주변부는 주변회로부분(420)이다. 칩(400)의 가장자리 둘레에는 패드 본딩(430)이 이루어진다.

렌즈를 지지할 부분(425a, 425b, 425c, 425d)은 칩의 모서리가 아닌 픽셀어레이부분(410) 근처의 주변회로영역(420)에 형성되고, 그 영역에는 종래와 다르게 칩 레벨에서 버퍼층들이 형성되게 된다.

버퍼층이 형성되는 부분(425, 도면의 점선 내부 영역)은 렌즈를 지지할 부분(425a, 425b, 425c, 425d)을 포함하여 픽셀어레이부분(410)의 외곽 주변 일정 영역이 되도록 하는 것이 렌즈 압력의 분산에 좋다. 단, 주변회로부분(420)에서 아날로그회로가 형성되는 부분(427)은 직접적으로 렌즈가 지지되지 않도록 하는 것이 바람직한 바, 이는 아날로그회로가 회로가 디지털회로보다 민감하기 때문이다.

버퍼층의 구체적 구조를 도 4b를 통해 살펴본다. 도 4b는 도 4a의 B-B'선에 따른 칩(400)의 단면도이다.

도 4b를 참조하면, 픽셀어레이부분(410)은 기판에 포토다이오드 및 트랜지스터 등에 의해 픽셀을 구성하는 소자들과 금속배선이 형성된 다음, 그 상부에 패시베이션층(462)이 형성된다. 패시베이션층(462) 상에는 예컨대 레드(R), 그린(G), 블루(B)와 같은 칼라필터어레이(464)가 형성되고, 그 상부에 칼라필터어레이(464)에 의해 발생된 단차를 평탄화시키고 초점거리를 조절하기 위한 OCL층(466)이 형성된다. OCL층(466) 상에는 각 칼라필터에 대응되도록 마이크로렌즈(468)가 형성된다. 칼라필터어레이(464), OCL층(466) 및 마이크로렌즈(468)의 재질로는 통상적으로 포토레지스트가 이용된다.

주변회로부분(420)은 회로를 구성하는 소자들과 금속배선이 형성된 다음, 패시베이션층(102)이 형성된다. 주변회로부분은 픽셀어레이부분과는 달리 칼라구현 및 광집속이 필요없기 때문에 칼라필터어레이 및 마이크로렌즈 제조시 마스크 및 식각 공정에서 제거되게 된다. 그러나, 본 발명에서는 렌즈의 지지 부분(425)에 버퍼층(480)을 구성하여야 하기 때문에, 버퍼층(480)이 형성될 영역(425)에 칼라필터물질층(464)과 마이크로렌즈물질층(468)을 잔류시킨 것이다.

한편, 버퍼층(480)은 칼라필터물질층(464)과, 마이크로렌즈물질층(468) 중 어느 하나만 있사용할 수 도 있고, 또한 R, G, B 칼라필터물질층 중에서 적어도 어느 하나만을 사용하여도 된다.

도 5는 도 4a의 CMOS 이미지센서 칩을 사용한 카메라 모듈을 도시하고 있다.

도 5를 참조하면, 인쇄회로기판(300) 상에 패키지되지 않은 상태의 베어(Bare) 칩(400)이 형성되고, 칩(400)의 픽셀어레이부분(410) 근처의 주변회로영역(420)에 렌즈(500)가 지지되어 형성된다. 렌즈(500)는 투명 플라스틱 재질이다.

렌즈(500) 상부에는 적외선 필터(700)가 형성된다. 렌즈(500)와 적외선 필터(700)와 오버랩되는 부분인 빛이 입사되는 부분을 제외하고는 렌즈하우징부(600)가 형성된다. 그리고 렌즈(500)와 렌즈하우징부(600) 사이에는 칩에 가해지는 힘을 완충하기 위하여 스프링(800)이 형성되어 있다.

상기한 바와 같은 본 발명의 카메라 모듈은 초점거리를 일정하게 유지할 수 있다는 장점이 있으며, 아울러 패드 본딩이 이루어지는 영역을 제한하지 않기 때문에 원하는 패드를 다 형성하면서 칩 사이즈의 증가는 방지할 수 있다. 이에 의해웨이퍼당 생산되는 다이(die)의 개수가 줄어드는 것도 방지할 수 있다.

또한, 렌즈가 지지되는 부분에 칩 레벨의 버퍼층을 구비하고 있어, 칩의 동작을 안정적으로 유지할 수 있다.

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 카메라 모듈은 소형화되어 가는 휴대용 시스템에 매우 유용하게 적용할 수 있으며, 더욱이 렌즈가 CMOS 이미지센서에 직접 올려지므로 해서 발생되는 CMOS 이미지센서의 파손 및 기기 불량을 방지할 수 있다.