CN101252141A - 具有晶粒接收凹孔之晶圆级影像传感器封装结构及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明系提供具有晶粒接收凹孔之晶圆级影像传感器封装结构及其方法。本具有晶粒接收凹孔之晶圆级影像传感器封装结构包含基板，其具有形成于基板上层内之晶粒接收凹孔，其中终端垫系形成于基板之上表面上，与微透镜同平面。晶粒系藉由黏胶设置于晶粒接收凹孔内，而介电层系形成于晶粒及基板上。重分布金属层(RDL)系形成于介电层上且耦合至晶粒。开孔系形成于介电层及顶部保护层内以暴露晶粒之微透镜区域以用于影像传感器芯片。保护层(膜)系涂布于微透镜区域上，其具有防水及防油性以避免粒子污染。涂布有红外线滤光片之透明盖系选择性形成于微透镜区域上以用于保护。
Description
技术领域
本发明系有关于晶圆级封装结构，特定而言系有关于具有内含晶粒接收凹孔之载版(基板)以用于接收影像传感器晶粒之晶圆级封装结构。
背景技术
于半导体组件之领域中，组件之密度持续增加且组件之尺寸持续缩小。为配合上述情况，如此高密度组件中封装或互连技术之需求亦日益增加。传统上，覆晶封装(flip-chip)附着方法中焊锡凸块数组系形成于晶粒之表面。焊锡凸块之形成可利用焊锡复合材料透过防焊层(solder mask)而予以施行，以用于产生期望之焊锡凸块形态。芯片封装之功能包含功率分配、信号分配、散热、保护及支撑等。当半导体变为更加复杂，传统封装技术例如导线架封装、软性封装、刚性封装技术已无法满足欲产生具较高密度组件之较小芯片之需求。
此外，因传统封装技术必须将晶圆上之晶粒分割成各别之晶粒且接着各别封装该晶粒，故此类技术对于制造程序而言系为耗时。因芯片封装技术系大为受到集成电路发展之影响，故当电子装置之尺寸变为高要求时，封装技术亦系如此。由于上述之理由，封装技术之趋势系朝向现今之锡球数组(BGA)、覆晶封装(覆晶锡球数组(FC-BGA))、芯片尺寸封装(CSP)、晶圆级封装(WLP)。「晶圆级封装」(WLP)系被了解为晶圆上整体封装、所有互连及其它程序步骤系于分离成晶粒之前施行。一般而言，于完成所有组装程序或封装程序之后，独立之半导体封装系与具数个半导体晶粒之晶圆分开。该晶圆级封装具有极小之尺寸并结合极佳之电子特性。
晶圆级封装(WLP)技术系为高级封装技术，藉其晶粒系于晶圆上予以制造及测试，且接着藉切割而分离以用于在表面黏着生产线中组装。因晶圆级封装技术利用整个晶圆作为目标，而非利用单一芯片或晶粒，因此于进行分离程序之前，封装及测试皆已完成。此外，晶圆级封装(WLP)系如此之高级技术，因此线接合、晶粒黏着及底部填充之程序可予以忽略。藉利用晶圆级封装技术，可减少成本及制造时间且晶圆级封装之最终结构尺寸可相当于晶粒大小，故此技术可满足电子装置之微型化需求。
虽晶圆级封装技术具有上述优点，然而仍存在一些影响晶圆级封装技术之接受度之问题。例如，虽利用晶圆级封装技术可减少集成电路与互连基板间之热膨胀系数(CTE)不匹配，然而当组件尺寸缩小，晶圆级封装结构之材料间之热膨胀系数差异变为另一造成结构之机械不稳定之关键因素。再者，于此晶圆级芯片尺寸封装中，形成于半导体晶粒上之数个接合垫系透过牵涉到重分布层(RDL)之习用重分布程序予以重分布进入数个区域数组形之金属垫。焊锡球系直接熔接于金属垫上，而金属垫系用重分布程序以区域数组形式形成。一般而言，所有经堆栈之重分布层系形成于晶粒上之积层上。因此，封装之厚度会增加。其可能与减少芯片尺寸之需求相抵触。
关于利用芯片直接封装(COB)或具线接合结构之有引线芯片封装(LCC)之传统封装影像传感器组件之方法受困于制程期间之产量问题，其系由于微透镜区域上无法于制程程序后移除之粒子污染。
因此本发明提供无需堆栈积层及重分布层之扩散型晶圆级封装结构，以减少封装厚度，以便克服上述问题，且亦提供较佳之电路板级温度循环测试可靠度。
发明内容
本发明系提供具有晶粒接收凹孔之晶圆级影像传感器封装结构。本具有晶粒接收凹孔之晶圆级影像传感器封装结构包含基板，其具有形成于基板上层内之晶粒接收凹孔，其中终端垫系形成于工件之上表面及外部上。晶粒系藉由黏胶设置于晶粒接收凹孔内，而介电层系形成于晶粒及基板上。重分布金属层(RDL)系形成于介电层上且耦合至晶粒。
此领域之技艺者应注意，开孔系形成于介电层及顶部保护层内以暴露晶粒之微透镜区域以用于互补型金属氧化物半导体影像传感器(CIS)。最后，涂布有红外线滤光片之透明盖系选择性形成于微透镜区域上以用于保护。
保护层(膜)系涂布于影像传感器芯片之微透镜区域上，其具有防水及防油性，可避免微透镜区域上之粒子污染。保护层(膜)之厚度较佳为约0.1微米至0.3微米，且其反射率接近空气之反射率1。制程程序可以旋涂玻璃(SOG)技术执行，且可以硅晶圆形式或板晶圆形式进行，最好系以硅晶圆形式以避免于随后之程序期间受到粒子污染。保护层之材料可为二氧化硅、三氧化二铝或氟聚合物。
介电层包含弹性介电层、硅介电型材料、苯环丁烯(BCB)或聚亚酰胺(PI)。硅介电型材料包含硅氧烷聚合物(SINR)、道康宁(DowCorning)WL5000系列及其结合。另则，介电层包含感光层。
基板之材料包含有机环氧型耐高温玻璃纤维板(FR5)、双马来酰亚胺三氮杂苯树脂(BT)、印刷电路板(PCB)、合金或金属。合金包含镍铁合金(Alloy42)，由42％之镍及58％之铁所组成，或柯弗合金(Kover)，由29％之镍、17％之钴及54％之铁所组成。另则，基板之材料可为玻璃、陶瓷或硅。
附图说明
图1系为根据本发明之扩散型晶圆级封装结构之横切面示意图。
图1A系为根据本发明之扩散型晶圆级封装之保护层之示意图。
图2系为根据本发明之扩散型晶圆级封装结构之横切面示意图。
图3系为根据本发明之板形扩散型晶圆级封装结构之横切面示意图。
图4系为根据本发明之晶圆级影像传感器封装方法之流程图。图中：
2 基板
4 晶粒接收凹孔
8 终端垫
12 保护层
14 晶粒附着材料(黏胶材料)
16 晶粒
18 介电层
20 接合垫(接触垫/金属垫/输出入焊垫)
22 接触连通金属
24 重分布层
26 顶端保护层
28 切割线
30 导电球
40 开孔
42 微透镜区域
44 透明盖
50 保护层(膜)涂料
201 步骤
202 步骤
203 步骤
204 步骤
205 步骤
206 步骤
207 步骤
208 步骤
209 步骤
210 步骤
具体实施方式
本发明将以较佳之实施例及观点加以详细叙述而此类叙述系解释本发明之结构及程序，只用以说明而非用以限制本发明之权利要求。因此，除说明书中之较佳实施例之外，本发明亦可广泛实行于其它实施例。
本发明系揭露晶圆级封装结构及其方法，其利用形成进入基板内之晶粒接收凹孔。感光材料系涂布于晶粒及预形成之基板上。感光材料之材质较佳系由弹性材料所形成。
图1系根据本发明之一实施例显示扩散型晶圆级封装(FO-WLP)之横切面示意图。如图1所示，扩散型晶圆级封装(FO-WLP)结构包含基板2，其具有晶粒接收凹孔4形成于其中以接收晶粒16。终端垫8系设置于基板2之上表面上且大体上与微透镜位于同一平面。
晶粒16系设置于基板2上之晶粒接收凹孔4内且藉由黏胶(晶粒附着)材料14固定。如此领域之技艺者所熟知，接触垫(接合垫)20系形成于晶粒16上。感光层或介电层18系形成于晶粒16上且充填入晶粒16及凹孔4侧壁间之空隙内。复数开孔系透过光微影蚀刻程序或曝光及显影程序形成于介电层18内。重分布层(RDL)24，亦称为导线24，系藉由移除形成于介电层18上之选定部分金属层而予以形成于介电层18上，其中重分布层(RDL)24系透过输出入焊垫(接合垫)20与晶粒16保持电性连接。部分之重分布层之材料系充填入介电层18内之开孔中，藉此形成接触连通金属22及接合垫20。顶端保护层26系形成以覆盖重分布层(RDL)24。另一保护层12，例如防焊环氧物(solder mask epoxy)，系形成于基板2之下表面之下。
介电层18系形成于晶粒16及基板2之上方且充填入晶粒2周围之空隙内。上述结构系构成平面闸格数组(LGA)型封装(周围型)。
此领域之技艺者应注意，开孔40系形成于介电层18及顶端保护层26内以暴露晶粒16之微透镜区域42，以用于互补型金属氧化物半导体影像传感器(CIS)。如图1A所示，保护层(膜)涂料50可形成于微透镜区域42上之微透镜上。开孔40一般系藉由此领域之技艺者所熟知之光微影蚀刻程序形成。于一实施例中，开孔40之下部分可于连通开孔形成期间开启。开孔40之上部分系于顶端保护层26淀积之后形成。另则，整体之开孔40系于顶端保护层26形成之后藉由光微影蚀刻形成。保护层(膜)系涂布于影像传感器芯片之微透镜区域上，其具有防水及防油性，可避免微透镜区域上之粒子污染。保护层(膜)之厚度较佳为约0.1微米至0.3微米，且其反射率接近空气之反射率1。制程程序可以旋涂玻璃(SOG)技术执行，且可以硅晶圆形式或板晶圆形式进行，最好系以硅晶圆形式以避免于随后之程序期间受到粒子污染。保护层之材料可为二氧化硅、三氧化二铝或氟聚合物。
最后，涂布有红外线滤光片(IR filter)之透明盖44系选择性形成于微透镜区域42上以用于保护。透明盖44可由玻璃石英等组成。
一替代实施例可参阅图2。导电球30系形成于终端垫8之上方。此类型称为锡球数组(BGA)型。基板2之材料较佳为有机基板，例如具已定义凹孔之环氧型耐高温玻璃纤维板(FR5)、玻璃纤维板(FR4)、双马来酰亚胺三氮杂苯树脂(BT)、印刷电路板(PCB)或具预蚀刻电路之镍铁合金(Alloy42)。具高玻璃化转变温度(Tg)之有机基板为环氧型耐高温玻璃纤维板(FR5)或双马来酰亚胺三氮杂苯树脂(BT)型基板。镍铁合金(Alloy42)系由42％之镍及58％之铁所组成。柯弗合金(Kover)亦可予以利用，其系由29％之锶17％之钴及54％之铁所组成。玻璃、陶瓷或硅因具较低之热膨胀系数(CTE)故可予以利用为基板。
基板可为圆形例如晶圆型，其半径可为200毫米、300毫米或以上。基板亦可为矩形例如面板型。图3系显示用于板晶圆型之基板2之横切面示意图。于图3之上部分中，图1之封装单元系以数组形式排列。切割线28系定义于封装单元之间以用于分离每一单元。
本发明之一实施例中，介电层18较佳为弹性介电材料，其系以含硅介电型材料组成，包含硅氧烷聚合物(SINR)、道康宁(DowCorning)WL5000系列及其结合。另一实施例中，介电层18系由包含苯环丁烯(BCB)、环氧树脂、聚亚酰胺(PI)或树脂之材料所组成。其较佳为感光层以简化制程。
本发明之一实施例中，弹性介电层为一种具有大于100(ppm/℃)之热膨胀系数、约40％之伸长率(最好30％至50％)及介于塑料及橡胶之间之硬度之材料。弹性介电层18之厚度系取决于在温度循环测试期间累积于重分布层/介电层界面内之应力。
本发明之一实施例中，重分布层24之材料包含钛/铜/金合金或钛/铜/镍/金合金，其厚度系于2微米至15微米之间。钛/铜合金系藉由溅镀技术形成作为种子金属层，且铜/金或铜/镍/金合金系藉由电镀技术形成。利用电镀程序形成重分布层可使重分布层具有足够之厚度以抵抗温度循环期间之热膨胀系数不匹配。金属垫20可为铝或铜或其结合。若扩散型晶圆级封装(FO-WLP)结构利用硅氧烷聚合物(SINR)作为弹性介电层且利用铜作为重分布层之金属，根据未图示于此之应力分析，累积于重分布层/介电层界面内之应力则会降低。
如图1及图2所示，重分布层(RDL)24系从晶粒扩散出且朝位于工件(载板或基板)上部分上之终端垫8向上连通。其与于晶粒上堆栈积层因而增加封装厚度之先前技术不同。上述先前技术系违反减少晶粒封装厚度之规则。反之，终端垫系位于工件之外表面上。因此，晶粒封装之厚度明显锐减。本发明之封装将较先前技术为薄。此外，基板系于封装之前预先备妥。晶粒接收凹孔4系预先定义。因此，生产率将较以前得到大幅改善。本发明揭露无需于重分布层(RDL)上堆栈积层之扩散型晶圆级封装(FO-WLP)。
本发明之程序包含提供对准工具，其具有对准图型形成于其上。接着，图样化黏着剂系予以印刷于工具上(用以黏附晶粒之表面)，接续为利用具覆晶功能之取放精密对准系统以重分布已知良好晶粒于工具上使其具期望之间距。图样化黏着剂将黏着芯片于工具上之后，印刷晶粒附着材料于晶粒背侧上。接着，板结合剂系用以将基板结合至晶粒背侧上。基板之上表面除凹孔之外亦黏着于图样化黏着剂上。其后，可施行真空固化，且从板晶圆分离该工具。
另则，亦可利用具良好对准之晶粒结合机器，而晶粒附着材料系分配于基板之凹孔上。晶粒附着材料系经过热固化以确保晶粒被附着于基板上。
一旦晶粒重分布于基板上，则施行洁净程序以湿式清洗及/或干式清洗清洁晶粒表面。其后步骤为涂布介电材料于板上。之后，施行真空程序以确保无气泡存于板内。接着，施行光微影蚀刻程序以开启通孔、铝接合垫、微透镜区域及/或切割线(选择性)。之后，执行离子清洗(plasma clean)步骤以清洗通孔及铝接合垫之表面。下一步骤为溅镀钛/铜作为种子金属层，及接着涂布光阻(PR)于介电层及种子金属层上以用于形成重分布金属层图形。接续，进行电镀程序以形成铜/金或铜/镍/金作为重分布层金属，随后剥除光阻(PR)及进行金属湿蚀刻以形成重分布层金属导线。其后，涂布或印刷顶端保护层及开启微透镜区域及切割线(选择性)。
于设置球或印刷焊锡糊剂后，施行热回融程序以回焊于基板侧上(用于锡球数组)。利用垂直式探针卡(probe card)施行板晶圆级最终测试。于测试之后，切割基板以分离封装成独立单元。接着，封装单元系各别取放至托盘或卷带及滚动条上。
本发明之优点为：
基板系预先备妥预形成凹孔。凹孔尺寸系等于晶粒尺寸于每一侧约加100微米。藉由填充弹性介电材料可用作为应力缓冲释放区域，以吸收硅晶粒与基板(耐高温玻璃纤维板(FR5)、双马来酰亚胺三氮杂苯树脂(BT))间热膨胀系数不匹配所造成之热应力。由于应用简化之积层于晶粒表面上方，故封装生产率将会增加(制造循环时间减少)。终端垫系形成于与晶粒主动面(预先形成)同平面之平面上。晶粒放置程序系与现行程序相同。本发明不需核心黏胶(树脂、环氧化合物、硅胶等)填充程序。于板型制程期间无热膨胀系数不匹配之问题，且晶粒及基板例如耐高温玻璃纤维板(FR5)间之深度只有约25微米至30微米(用于晶粒附着材料之厚度)。于晶粒附着于基板之凹孔上后，晶粒及基板可处于同一水平面。唯独含硅型介电材料(最好为硅氧烷聚合物(SINR))系涂布于晶粒主动面及基板(最好为耐高温玻璃纤维板(FR5)或双马来酰亚胺三氮杂苯树脂(BT))表面上。由于介电层(硅氧烷聚合物(SINR))为感光层，故只利用光屏蔽程序即得以开启接触连通结构。硅氧烷聚合物(SINR)涂布期间之真空程序系用以消除气泡问题。于基板与晶粒结合一体之前，晶粒附着材料系印刷于晶粒之背侧上。封装及电路板级二者之可靠度系较先前技术为佳，特别于电路板级温度循环测试，乃因基板及印刷电路主机板之热膨胀系数为相同，故无热机械应力作用于焊锡凸块/球上。成本得降低且程序步骤简化。亦易于形成多重晶粒封装(例如双晶粒封装)。
于本发明之另一实施例中，如图4所示，本晶圆级影像传感器封装方法包含于步骤201提供基板，其具有形成于基板之上层内之晶粒接收凹孔，其中终端垫形成于基板之上表面上。其后，于步骤202利用取放精密对准系统重分布已知良好之影像传感器芯片于工具上，使其具期望之间距。接着，于步骤203附着黏胶材料于晶粒背侧上。之后，于步骤204结合基板至晶粒背侧上，固化黏胶材料，分离工具，涂布介电材料于基板上以及施行真空程序。其后，于步骤205开启连通结构、微透镜区域及输出入焊垫。接着，于步骤206溅镀种子金属层于介电层、连通结构及输出入焊垫上。之后，于步骤207形成重分布金属层于介电层上。其后，于步骤208形成顶端保护层于重分布金属层上。接着，于步骤209开启顶端保护层以开启微透镜区域。之后，本晶圆级影像传感器封装方法可选择性包含步骤210形成透明盖，其涂布有红外线滤光片且设置于微透镜区域上。
虽本发明之较佳实施例已叙述如上，然而，此领域之技艺者将得以了解，本发明不应受限于所述之较佳实施例。更确切言之，此领域之技艺者可于后附权利要求书所定义之本发明之精神及范围内做若干改变或修改。
Claims (10)
1.一种影像传感器封装结构，其特征在于：包含：
一基板，其具有形成于该基板之上层内之一晶粒接收凹孔，其中终端垫系形成于该基板之上表面上；
一晶粒，其具有一微透镜区域且黏置于该晶粒接收凹孔内；
一介电层，其形成于该晶粒及该基板上；以及
一重分布导电层，其形成于该介电层上，其中该重分布导电层系耦合至该终端垫，其中该介电层具有一开孔以暴露该微透镜区域。
2.根据权利请求1所述之影像传感器封装结构，其特征在于：还包含一导电球，其耦合至该终端垫。
3.根据权利请求1所述之影像传感器封装结构，其特征在于：其中该介电层包含一弹性介电层或一感光层。
4.根据权利请求1所述之影像传感器封装结构，其特征在于：其中该介电层之材料包含含硅介电型材料、苯环丁烯(BCB)或聚亚酰胺(PI)，其中该含硅介电型材料包含硅氧烷聚合物(SINR)、道康宁(Dow Corning)WL5000系列或其结合。
5.根据权利请求1所述之影像传感器封装结构，其特征在于：其中该重分布导电层之材料包含钛和铜和金合金或钛和铜和镍和金合金。
6.根据权利请求1所述之影像传感器封装结构，其特征在于：其中该基板之材料包含环氧型耐高温玻璃纤维板(FR5)、玻璃纤维板(FR4)、双马来酰亚胺三氮杂苯树脂(BT)、印刷电路板(PCB)、合金、金属、玻璃、硅或陶瓷，其中该合金包含镍铁合金(Alloy42)(42％镍-58％铁)或柯弗合金(Kover)(29％镍-17％钴-54％铁)。
7.根据权利请求1所述之影像传感器封装结构，其特征在于，还包含一保护层，其形成于该微透镜区域上以保护微透镜免于粒子污染，其中该保护层之材料包含二氧化硅、三氧化铝或氟聚合物，其中该保护层具有防水及防油性。
8.根据权利请求1所述之影像传感器封装结构，其特征在于：还包含一透明盖，其涂布有红外线滤光片且形成于该微透镜区域之上。
9.一种用于形成半导体组件封装之方法，其特征在于：包含：
提供一基板，其具有形成于该基板之上层内之晶粒接收凹孔，其中终端垫系形成于该基板之上表面上；
利用取放精密对准系统重分布已知良好之影像传感器芯片于工具上，使其具期望之间距；
附着黏胶材料于晶粒背侧上；
结合该基板至该晶粒背侧上，固化该黏胶材料，分离该工具，涂布介电材料于该基板上以及施行真空程序；
开启连通结构、微透镜区域及输出入焊垫；
溅镀种子金属层于该介电层、该连通结构及该输出入焊垫上；
形成重分布金属层于该介电层上；
形成顶端保护层于该重分布金属层上；以及
开启该顶端保护层以开启该微透镜区域。
10.根据权利请求9所述之用于形成半导体组件封装之方法，其特征在于：还包含形成透明盖，其涂布有红外线滤光片且设置于该微透镜区域上。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C04 | Withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |