陶瓷板在手机相机模块上的应用研究.docx

陶瓷板在相机模块上的应用研究杨根林 东莞末聚(Primax)电子电讯制品有限公司SMT厂相机模块的电路板按材质可分为有机和无机两种类型，有机类基材应用最广因此大家 耳熟能详，比如玻璃纤维／环氧树脂、BT／Epoxy混舍村脂和聚酰亚胺PI(Polyimide)等， 并以环氧树脂玻纤覆铜箔层压板(Epoxy-Glass Fiber Copper Clad Laminates)印俗称FR4 基板最为常见；而无机类材质有金属芯基板MCPCB(Metal-Core Printing Circuit Boards) 和陶瓷基板(Ceramic Substrate Board)等多种，内瓷基扳应用的相对更广一些早期， 陶瓷基材主要用于电子元器件，比如片式电阻和屯容、大功率照明发光二极管、无引线陶瓷封装载体(LCCC)和陶瓷焊球阵列封装(CBGA)．等等(参考矧1)，然而较少用作电路板基材图1陶瓷基材电子元件图2某产品陶瓷板外观 曾几何时·陶瓷电路板(Ceramic Circuit Board)在微小型电子产品和功能模块上的应_|_|j蔚然成风(图2为某产品陶瓷扳)．尤其是近年来，它在相机模块(Camera Module)上显示出诸多的优越性，因而在高阶视频上快速被推广应用。

长期来．视频 的厚度往往受限于摄像头的轮廓高度．而摄像头的高度往往受 限于相机模块的封装，所以相机模 块迫切需要超薄型的基板或多层}句造于是陶瓷板应运而生，它可 以让基板厚度更薄实现摄像头低 高度(10旷profile)和小尺寸 (Small Size)，令同等尺寸的模块具备更多功能或更好性能陶瓷 图3凹腔陶瓷板与平面结构PcB对比84板还可以由传统的平面结构(Flat Substrate)，开发出凹腔多层结构(Cavity Structure)， 使影像器件(Imaging Sensor)与其傍路元件不在同一平面；这种设计更有效的利用了基板 空间，为相机模块的微小型化另辟蹊径，见图3相机模块采用凹腔电路板(Cavity PCB)结构即PCB表面非平面，通常有影像器件CIS (CMoS／CCD Imaging Sensor)和表面器件设计在凹腔内两种方式，如果表面器件设计 (Layout)在凹腔内，它对于SMT的焊锡涂敷工艺是一个很大的挑战，也是一种全新的工艺传统的平面模板印刷工艺对此鞭长莫及，焊锡涂敷可以采用3D非共面模板配合增压 式印刷机，或者采用针头滴涂(Needle Dispensing)方式，它们对于精密度要求不高的 产品还差强人意；但是，对于相机模块器件组装，便只有先进的喷印(Jet Printing) 焊锡技术，才能满足0201或O．4 mill间距器件的焊锡涂敷精度要求。

日前陶瓷板有多种类型，常见的主要有高温共烧陶瓷HTCC(High—Temperature Co-fired Ceramic)和低温共烧陶瓷LTCC(Low—Temperature Co—fired Ceramic)两种 HTCC制作工艺成熟，其强度和硬度较好、热传导率高性能可靠，可用于较大尺寸的功能模 块电路基板，例如系统封装SIP(System In Package)的相机模块即采用此种工艺 LTCC材质中加入了玻璃材料使烧结温度降低，是无源器件集成的主流技术，不过它的强度等技术上的问题尚待突破LTCC和HTCC因多层叠加都有基板烧结收缩比例问题，使得陶 瓷电路板外形尺寸不稳定，光学基准点和元件位置的重复再现性误差较大所以表面组装 的喷印焊锡和贴装，采用单板上的局部基准点比连板的基准点精度更好HTCC和LTCC陶瓷基板的导带线路(Conductive Trace Line)与焊盘图形(Pattern)， 其制作工艺多半是采用厚膜(Thick Film)工艺，简言之此工艺是在陶瓷生胚上通过模版 印刷的方法，令金属浆料在高密度通孔填充，形成层间导通互连、金属线路和焊盘图形等， 最后叠层烧结成型。

或者，采用薄膜(Thin Fi lm)以及厚薄膜混合电路(Thin fi im Hybrid Circuit)等多种工艺，制作出更为复杂的微带线路以及精细的芯片与器件间连接，从而 制成多功能模块或埋植元件的高性能集成电路板厚膜技术受网板张力变化等因素影响， 其金属线路精准度与表面平整度不如薄膜技术产品，不过它的成本较低薄膜技术特性虽 好，但制作成本和进入门槛也高，因此较多的用于高精度的集成电路封装随着陶瓷电路 板以及厚膜和薄膜技术发展，使无源或有源器件埋入电路板内，是未来相机模块微小 型化的发展方向之一关键词：相机模块(Camera Module)，陶瓷板(Ceramic Circuit Board)，厚膜／薄膜 工艺电路，低温共烧陶瓷(LTCC)，高温共烧陶瓷(HTCC)，凹陷电路板(Cavity PCB)， 低高度(Low—Profile)，小尺寸(Small Size)，微型化构造，自动检测装置(ATE)，非 共面性模板(3D Stencil)，喷印锡工艺(Jet Printing)1有机类印制板在相机模块上面临的挑战 相机模块的CIS组装车间对环境要求颇为严苛，其洁净度业界通常遵循美国联邦85209E规范，对空气净化等级需达到ClasslO～Classl00，即每立方英尺空间内0．5 u m的 微尘粒子控制为lO～100颗，对所有进入车间的材料、治工具和人员着装等都需顾及到“无 尘”要求。

为此，用于相机模块的电路板有其独特及专业的设计要求．比如PCB分扳不宜 采用v_cut方式而是Routing或Punching方式；板面Logo或元件位置标示字符，不宜采用油 墨丝印(Legend)而是蚀刻并电镀处理；防焊层(Solder Mask)附着强度要足够，使用3M“百格”胶带检测不能有脱落：POB的通孔或育孔(Via Bole＆B1ind Bole)需先用树 脂堵塞然后用绿油填平，以确保COB Die位置平整度避免影像器件组装是倾斜影响镜头对 焦由于COB邦定生产时的加热和振动．粉尘(Dust)和微尘粒子(Particle)很容易从 PCB跑出污染到影像器件有机类电路板的板屑与粉尘问题，一直困扰着影像产品的品质， 降低了产品的组装怠率，见图4通常COB Wire Bonding、Die Bonding和Holder or House Placement机器对POB尺寸 要求很严格．比如有些机器对PcB的厚度限制规格范围仅O ltO 8衄．超出规格则需要制 作专用夹具才能生产因之．相机模块PCB的厚度通常要求小于o．8唧，其翘曲变形隧隧鲻鼙也被严格限制，不然机器无法自动进板并可能造成生产中的撞板问题。

因而，用于相机模块COB的基扳材质不能等闲视之．比如酚醛树船纸质、低端复合材料CEM(Composite Epoxy Material)制作的覆铜箔层压扳CCL(Copper Clad Laminates)不宣用于邦定作业， 否则回流焊接过程中难免产生板弯翘问题，见图5图4 PCB粉尘与板屑图5 FR41氏Tg薄板受热扳弯翘曲在PCB选材与设计时需兼顾COB邦定过程的高温(150～——一180℃)对基扳的影响．所选材质的机械性能和热性能要恰当．移+j≯’搏l比如热性能的主要参数Tg点不能低于165℃，基板的布局以及．■ 敷铜要力求匀称使热应力均衡．井且点铜比网铜郊果要好经．；．验表明，用于cIs COB的电路扳的首选材质是Ceramic／ST．其L，．=L．_；j：i；、-—二二二d次是．High Tg的’R_“FR一5擘譬詈采要聚腊纤维忡1”ster’圈6陶瓷板平整性佳 和聚酰亚胺PI(Polyimide)材料，软硬结合扳(Rigid—F1ex PCB)是这些材质的综合应用高Tg点的FR4于性价比高．目前它在相机模块上应用最广 Fit(Flame Resistance)是抗阻燃材料的简称。

然而陶瓷材质电路扳或陶瓷基覆铜板 (CeramiCS Base Copper-Clad Laminates)，其熟性能及平整性相比有机板材更好，兄倒6PCB是电子产品多功能、高品质、小型化、高可靠性、低成本的关键因素之一相机模 块组装需用到多种有机类材质的电路板，比如硬性印制板(Rigid PCB)、揉性软板 (Flexible PCB)和软硬接台板(Rigid—Flex PCB)它们通常由绝缘基板及导电材料所组成，其性能及可靠度主要是由绝缘材料所决定硬性Pc嗽多的用来邦定晶片(COB)，FPC则主要用来功能板和相机模块的连接有机薄扳较多的产生微尘粒子、扳弯板翘和 组装困难等缺陷，最重要的是有机板不便于实施凹腔多层结构，使其成为相机模块进一步 微小型化的瓶颈不过，有机PCB的成本较低、柔韧性和强度较好不易折断，并具有良好的 电气性能和优异的机械加工性能；尤其是BT／Epoxy基扳良好的热性能以及铜箔的抗撕强度 (Peel Strength)辞特性．因此它们在当今摄像头的电路板市场上仍然最具主流并得 到了最广泛的应用2陶瓷扳相比有机粪印％4扳的优势与特性 无机类板材伟I作电路基板不仅有绝缘材料还有金属材料．比如金属芯板O,ICPCB)是以压舍方式将金属扳和有机板材质结合，从而增强电路扳的散热和机械强度。

而陶瓷板通常由 多层暗紫色的高纯氧化铝(Alumina)生瓷片 经过切片冲孔、金属图形丝弼印刷、金属化 埋层布线、叠片、高温烧结等工艺加工而成 高温共烧陶瓷(HTCC)基板，材料常用纯度 92％～96％的氧化铝(AI疵)、氧化镀(BeO)或氮化铝(AIN)等，利用厚膜印刷(screening)及冲压(punching)或钻孔等方式实施不同电路层的连接而低温共烧陶瓷(LTcc)基扳，材料中加有玻璃材科(s旭)等结合薄膜技术可以制作出多层更为复杂的精细线路板新一代相机模块对电路板材质要求更高．而陶瓷(Alumina)材质相比传统的PR4 更有优势，它们的关键参数对比请参考霞表7陶瓷板的热性能和机械性能较好，没有树脂 纤维扳的热分离温度特性TD(De]amination Temperature)和受热翘曲等问题，其强度和 硬度也更好：基板清洗中较少产生粉尘粒子．有效降低了对COB净化车间的污染，见图RAkRB 于是陶瓷扳在影像模块上的应用大幅增长，井日盏受10重视陶瓷板用于相机模组，还有以下优点圆圆嘲■豳㈣慨脚蚶啡麟5蜘删图表7陶瓷与FR4板材特性对比图8A陶瓷扳与FR4剖视比照87图8B陶瓷板与FR4产生粉尘粒子对比 (1)传统的手攒相橙在寻求多功能、低成本舆稳定度的解浃方案碡。

往往受限於它的外形尺寸，而陶瓷板相机模块上的应用找到了突破瓶颈的方法它不仅可制作超薄的电路板，底层厚度(Bottom LayerThickness)日前可达到0 15 mm；更小的Castetlation(Vertical conductor groove along edge of the package)结构，间距可以做到0．5 m；还可以很 方便的制作凹腔多层结构，使模块实现更小的尺寸更低的外形轮廓同时．陶瓷扳凹腔构造，还可以增大摄像头的镜头与影像器件表面之间的距离，高画索的相机要求镜头与影像 感羽j器件表面有足够长的距离，以便调焦时得到更清晰的影像画质有机基板相机模块微小型化，以往主要是向元器件的极限尺寸或封装挑战，比如采用 微小的01005和0201元件．采用窄间距球栅阵列器fl：FPB(Fine Pitch BGA)和细间距器件 FPD(Fine Pitch Devices)甚或超细间距器件．或者采用多芯片叠层封装S-MCP(Stacked Multi-Ehip Package)等，这些先进技术使相机模块的小型化取得了一定成效，图9为相机 模块ClS茜片堆叠封装。

而陶瓷板则是改善基板构造，通过系统级封装(SIP)技术和。