CN102077351A - 使用垫片封胶封装图像传感器的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种图像传感器的封装组件，其使用垫片封胶(408-A)以控制图像传感器芯片块(302)之上的透明窗(340)的高度(h2)，从而提供安全的丝焊间隙。图像传感器的芯片块装配于中介层，并且在图像传感器的芯片块和中介层之间设置有丝焊。透明盖板(340)通过使用由垫片封胶形成的挡坝(408-A，408-B)连接图像传感器。该挡坝(408-A，408-B)可以完全由垫片封胶(408-A)形成，也可以由垫片封胶和位于垫片封胶下面的图案化平顶区域(408-B)形成。垫片封胶提供统一的、低倾角的粘接面，该粘接面具有可控的、高于图像传感器所在平面的高度，以提供丝焊(338)间隙。在挡坝之外、透明盖板和中介层之间的区域可以附加设置包封(350)。

Description

使用垫片封胶封装图像传感器的装置和方法
技术领域
一般而言，本发明涉及图像传感器的封装，以便密封丝焊(wire bond)及避免图像传感器受潮。更具体地讲，本发明涉及一种图像传感器的封装组件，其包括挡坝结构(dam structure)并提供丝焊的密封。
背景技术
图像传感器使用光敏像素阵列来捕捉光学图像。一种常用的图像传感器是互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器。有许多技术用来封装CMOS传感器。其中，目前所使用的一种技术是将图像传感器镶嵌到基板(中介层)，并在基板和图像传感器之间提供丝焊连接。但经常需要一个额外的透明盖板来保护图像传感器。
如果封装的组件利用包封(encapsulate)，通常可提高封装的图像传感器的可靠性。现有技术的一种方法是利用包封物(例如液体聚合物)包封丝焊，同时沿着透明盖板的边缘设置防水封。例如，如图1所示，美国专利US6,995,462公开了一种封装组件50，其包括中介层30(具有外部连接点38和焊锡球48)、图像传感器芯片4、透明盖板22、丝焊44、连接垫片34。包封物46(例如，添加硅的聚合物或液晶聚合物)将丝焊44包封住。在这一封装设计中，微型透镜20位于具有像素阵列的图像传感器4之上。用液体粘合材料24(例如液体环氧树脂或液体树脂)连接透明盖板。然而，这种结构有许多缺点。常规液体粘合剂的厚度和宽度很难控制。其结果是，液体粘合剂的宽度大于期望值，浪费了芯片块(或称晶粒，die)的空间，并增加了制造成本。此外，只有相对少量的包封物存在于透明盖板的边缘。换句话说，在透明盖板的边缘，液体环氧树脂与包封物接触，导致在透明盖板的边缘只有相对狭小区域的包封能提供防水保护。
图2显示了一种位于丝焊结构之上的薄膜，该结构是台湾矽品科技有限公司(SPIL)之美国专利6,388,313中所描述结构的一种变化。SPIL CMOS图像传感器封装组件包括中介层(interposer)，中介层上镶嵌有图像传感器芯片。使用液体粘接剂薄膜例如液体树脂薄膜，来粘接透明玻璃盖板。然而，由于树脂流动，难以精确地控制液体树脂薄膜的大面积铺开。换句话说，除了其它缺点，用液体树脂制成的薄膜在初始薄膜沉淀之后，倾向于穿过芯片块的边缘向旁边流动。结果就是，这意味着难以在像素阵列边缘和芯片块边缘之间形成窄的间隙。这样会浪费芯片块面积，这又会导致制造成本高于预期。除此之外，液体粘接树脂膜的水分渗透(moisture permeation)是可靠性需要考虑的因素。特别是，在封装的图像传感器的整个工作寿命中，都有水分通过树脂薄膜向旁边渗透的危险。
因此，鉴于上述问题，而开发了一种改进的封装图像传感器的装置、系统和方法。
发明内容
本发明提供了一种图像传感器的封装组件，其使用垫片封胶(spacer paste)以控制图像传感器芯片块之上的透明窗的高度，来提供安全的丝焊间隙(clearance)。图像传感器的芯片块装配于中介层，并且在图像传感器的芯片块和中介层之间形成丝焊(wire bonds)。透明盖板通过使用由垫片封胶形成的挡坝(dam)连接至图像传感器。该挡坝可以完全由垫片封胶形成，也可以由垫片封胶和位于垫片封胶下面的图案化平顶区域(图案化平顶区域)形成。垫片封胶提供统一的、低倾角的粘接面，该粘接面具有可控的、高于图像传感器所在平面的高度，以提供丝焊间隙。在挡坝之外、透明盖板和中介层之间的区域可以附加设置包封物(encapsulant)。
附图说明
以下结合附图，进行详细地说明，以更充分地理解本发明。
图1显示了根据现有技术封装的图像传感器；
图2显示了根据现有技术封装的图像传感器；
图3A和图3B显示了根据本发明一实施方式使用垫片封胶作为挡坝进行封装的图像传感器；
图4和图4B显示了根据本发明的一实施方式使用垫片封胶和图案化平顶区域的结合作为挡坝进行封装的图像传感器；
在所有附图中，相同的附图标记代表相同的部分。
具体实施方式
图3A是封装的图像传感器300之通过顶部透明盖板340的俯视图。顶部的透明盖板340允许光到达位于图像传感器芯片块302中间部分的光敏像素阵列306，此处，图像传感器芯片块302为集成电路芯片块。透明盖板340周围部分的下方设置有包封物350。垫片封胶挡坝308(spacer paste dam)由位于图像传感器芯片块302周边的垫片封胶环氧树脂形成的，但其不会阻挡含有像素阵列306的中间部分304。挡坝308的宽度为w。像素阵列306可以延伸到挡坝308的边界，但是更普遍的是有一个小小的间隙d，以容忍制造公差。这样，像素阵列306的边缘从距离图像传感器芯片块302的边缘w+d处插进。为了说明本发明的一些结构，使用虚线(假想线)来显示埋入的电连接的数字，该电连接由位于丝焊连接区域317和丝焊接触垫片336之间的多条丝焊338形成。
图3B是图3A中沿着线3B-3B的截面图。基板315具有上表面，该上表面包括芯片块连接区域319和丝焊连接区域317。基板315形成于中介层301之内，中介层301包括外部连接区域310以确保外部电连接(例如，使用焊锡球)。内部介质(vias)325支持外部连接区域310和丝焊连接区域317之间的电连接。图像传感器芯片块302具有下表面321，该下表面321连接于芯片块连接部分319。
图像传感器芯片块302的上表面330包括中心部分304，该中心部分304具有光敏像素阵列306。丝焊338形成于图像传感器芯片块上的丝焊接触垫片336和基板315上的丝焊连接区域317之间。典型的丝焊由金线形成。可靠的丝焊处理一般要求线不能猛烈弯折。因此，丝焊338的一部分伸出高于图像传感器芯片块320的上表面330一个高度h1，该高度h1基于丝焊的弯曲度和其它因素。图像传感器芯片块还可以包括色彩过滤器阵列/微型透镜阵列307，其镶嵌在具有像素阵列306的图像传感器芯片块的中心部分304上。
透明盖板340(例如玻璃盖)保护图像传感器芯片块302。在一实施方式中，透明盖板340在图像传感器芯片块302之上延伸，并且具有突出端342，该突出端342在基板315的丝焊连接区域317之上延伸。透明盖板314通过垫片封胶挡坝308连接于图像传感器芯片，垫片封胶挡坝308的高度为h2、宽度为w。在这个实施例中，垫片封胶用作挡坝(具有高度h2、宽度w)以提高工序性能和可靠度。垫片封胶为含有垫片球的粘合剂(adhesive)，垫片球将在下文详细描述。包封350用于密封丝焊，同时也提供防止水分渗透的保护。在一实施方式中，包封350为不透明的(例如黑色)，以便于为图像传感器提供附加的光学隔离。
在组装中，垫片封胶挡坝308是通过将垫片封胶置于图像传感器芯片块302所在的面上而形成。挡坝308在图像传感器芯片块302的上表面和透明盖板340之间形成一个腔室360。垫片封胶挡坝308可以在丝焊接触垫片336之上盖住丝焊338的一部分。腔室360可以是充有空气或充有惰性气体。垫片封胶挡坝308有许多优点。首先，垫片封胶挡坝308与可靠的封装设计一致，可以提供防止水分渗透的保护。其次，垫片封胶挡坝308提供可控的、统一的、低倾角的粘接面，因为垫片(间隔物)可以控制环绕整个挡坝的粘接面的高度。此外，可选择垫片封胶厚度h2，以提供可控、安全的丝焊间隙，该间隙包括容纳丝焊处理所需的最小距离h1加上另外的制造/可靠度安全余地(h2-h1)。换句话说，腔室高度可控制为大于最小的丝焊间隙高度一个充分的余地，以在封装组件的组装、测试和/或整个工作寿命中透明盖板340不会压进并损伤丝焊。在一实施方式中，间隙高度h2可选为至少60微米。
使用垫片封胶以形成挡坝308改进了对挡坝高度和挡坝宽度的控制。垫片封胶是一种特别的粘合剂，其包括基础粘合剂和选定百分比的、作为垫片的高分子聚合物球。可以选择聚合物垫片球的直径尺寸，以控制挡坝的高度h2。垫片封胶的时间-温度-压力固化处理通常与基础粘合剂封胶相似。优选为低流动的基础粘合剂材料。典型的有机物垫片封胶，例如由德国杜塞尔多夫的汉高公司制造的产品，包括聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)球。有机聚合物球的直径在特定的范围内，其可使用筛选工艺，使这些球在一定的统计分布中具有平均的垫片尺寸。垫片的尺寸通常以密尔(mil)来计量，这里l密尔为25.4微米。这样，垫片封胶具有的有机物高分子垫片，其尺寸为一个名义上的平均垫片尺寸，例如1密尔、1.5密尔、2密尔、3密尔等。一种应用垫片封胶的技术为使用内径足够大于垫片尺寸的针，以使用合理的压力注射垫片封胶。例如，汉高公司推荐注射针的孔的直径至少五倍于垫片的尺寸。这样，选择较大的垫片尺寸会增大腔室高度h2，但也会转而增大挡坝的宽度，因为会需要较大的针孔来注射垫片封胶。
封装的组件同时提供防止水分渗透的改进保护。在挡坝308之外的区域，包封350完全延伸在中介层301和透明盖板340之间。这样，图像传感器芯片块320由两个保护区域保护以避免水分渗透。首先，包封350，其在透明盖板340的突出端342下方和基板315之间完全延伸，提供第一层外围屏障防止水分渗透。因而，水分渗透在顶部被透明盖板阻挡、在侧面被突出端342下方的大厚度的包封所阻挡。其次，垫片封胶308的挡坝区域提供附加的内部屏障，作为防止水分渗透的第二层屏障。
图3A和图3B所示的实施方式可以在晶圆级的封装处理中制造，在该晶圆级的封装处理中，大量的图像传感器芯片块封装于普通的中介层基板上，然后在制造后分离。典型的处理流程包括如下步骤：首先，提供具有色彩过滤器阵列/微型透镜阵列的图像传感器芯片块，将图像传感器芯片块切割成单独的芯片块，单独的芯片块连接到基板上(即为，连接到由基板晶圆形成的中介层的不同部分)，并为每一芯片块设置丝焊；然后，环绕每一图像传感器芯片块的边缘分配垫片封胶，形成挡坝；然后，连接透明盖板。该连接过程将部分依赖于垫片封胶的基础粘合剂。特别是垫片封胶的固化温度和压力将依赖于其基础粘合剂；随后，对丝焊进行包封，优选使用黑色化合物的包封物(以提供光学隔离)。作为一实施例，可使用未充满液体的包封物，使其流进透明盖板下面的开放空间里(在挡坝的外部，以避免包封物流经像素阵列)；随后使包封物固化；最后执行的是切割步骤，以分离单独的封装装置。
所需的典型的丝焊间隙h2，即图像传感器顶部和透明盖板底部之间的距离(对丝焊而言)为大约60微米。然而，如前所述，市面上适用的垫片封胶中的垫片尺寸通常以密尔计量，而不是微米。图4所示实施方式的典型处理是利用垫片封胶，其垫片(垫片球)尺寸为3或4密尔，或者至少75微米，以提供大于60微米的间隙。然而，应注意到典型的分配工艺使用的针，其内孔径应大于垫片足够的倍数，以避免堵塞，并允许垫片封胶在合理压力下的平滑流动。特别地，汉高公司推荐注射器的内孔尺寸至少五倍于垫片的尺寸。所以，分配过程将会转而以至少同样的孔径系数增加注射的垫片封胶宽度。除此之外，在分配垫片封胶之后，它的边不会完全平滑(因为里面的球)并且在注射之后和固化过程中将会发生一些极小量的四散流动。实验表明，对于垫片的尺寸为3密尔(大约75微米)而言，使用常规的分配和固化处理，宽度可控制到大约450微米。尽管提供75微米高的区域(h2)以留出安全的丝焊间隙，但在本实施方式中，如果需要的话，封装的图像传感器可以使像素阵列延伸到距离芯片块边缘仅450微米的位置。这种对于像素边缘和芯片块边缘的距离的良好控制，可以使芯片块面积的利用更有效，进而降低了制造成本。
图4A揭示了一个垫片尺寸较小的实施方式的俯视图。图4B是沿着线4B-4B的截面图。本实施方式与上一实施方式相似，不同点在于挡坝408包括位于上面的垫片封胶区域408-A和下方图案化(patterned)平顶区域408-B，以减少需要的垫片的尺寸。图案化平顶区域408-B是一个具有挡坝形状的区域，其形成于图像传感器芯片块之上，因而伸出高于图像传感器芯片块所在面一个高度h3。垫片封胶408-A位于图案化平顶区域408-B之上，以增加一个附加的高度h4，以完成挡坝408。所以为了得到完整的间隙高度h2，需要的垫片封胶的厚度为：h4＝h2-h3。为了说明的目的，区域408-A和区域408-B被显示为完全对齐。更普遍的是，并不需要完全的对齐。例如，垫片封胶408-A可以注射为初始宽度稍微小于位于下方的图案化平顶区域408-B。图案化平顶区域408-B不会盖住中心部分304，同时也不会盖住焊锡结合的接触区域336(以允许丝焊形成)。因此，在一实施方式中丝焊338和焊锡结合接触垫片336被埋入包封350中。
挡坝408包括下方的图案化平顶区域408-B的优点是减少了垫片封胶的垫片尺寸，反过来减少了挡坝408的宽度。在本实施例中，需要挡坝的宽度w1以完成丝焊338需要的间隙h2。然而，最小的挡坝宽度在很大程度上由垫片封胶408-A的厚度h4需要的最小宽度决定，而h4由垫片的尺寸决定。如所显示的实施例，为了形成安全的丝焊间隙，如果高于芯片块的顶部的间隙高度h2为60微米，这个高度的大约一半可以由图案化平顶区域408-B提供，而其余部分则由垫片封胶408-A提供。这可通过图案化平顶区域408-B高度为37微米、而位于其上的垫片封胶408-A高1.5密尔(大约38微米垫片直径)来实现，总共提供大约75微米的间隙。如前所述，垫片封胶的注射过程使用具有与垫片的尺寸成比例的直径的孔。因此在本实施例中，挡坝的宽度w1(图案化平顶区域加上位于其上的1.5密尔的垫片封胶以达到预先选定的高度h2)稍微小于仅以垫片尺寸为3密尔的垫片封胶组成的挡坝的宽度的一半。这就允许像素边缘和芯片块边缘的距离的潜在的减少，进而降低制造成本。
如前述实施例，图4A-图4B的实施例也提供了防止水分渗透的有效保护。透明盖板340之下、围绕挡坝408的完整的包封层具有相当大的宽度，并形成防止水分渗透的第一道屏障，挡坝408形成了防止水分渗透的第二道屏障。
图案化平顶区域408-B由一层可置于图像传感器晶圆上的材料形成，并在将图像传感器晶圆切成单个的芯片块之前通过光刻工艺实现图案化。图案化平顶区域408-B优选为一层光敏材料，该光敏材料能直接使用光刻图案化，其能进一步在相对低温的过程中被处理为稳定状态，该相对低温过程不会显著降低图像传感器芯片块的电学特性和光学特性。例如，某些类型的光刻胶(例如某些感光树脂)可以相对较厚地(例如，厚约40微米)置于晶圆上，进行图案化，然后使用低温处理进行固化。
图4A和图4B所示的实施例也可以晶圆级的封装过程制造，该晶圆级的封装过程中，大量的图像传感器芯片块封装于一般的中介层基板，然后分离。典型的过程如下：首先，提供具有色彩过滤器阵列/微型透镜阵列的图像传感器芯片块，通过光致抗腐蚀涂覆过程、曝光、显影、烘焙过程形成图案化平顶区域；图像传感器芯片块切割成单独的芯片块；单独的芯片块连接到基板上(即，由基板芯片块形成的中介层)；然后为每一芯片块设置丝焊；垫片封胶随后注射于图案化平顶区域上，形成环绕于每个图像传感器芯片块的边缘分布的挡坝；然后，连接透明盖板，该连接过程将部分依赖于垫片封胶的基础粘合剂，特别是固化垫片封胶的温度和压力将依赖于其基础粘合剂；随后，包封丝焊，优选使用为黑色化合物的包封物(以提供光学隔离)，作为一实施方式，可使用未充满液体的包封物，其流进透明盖板下面的开放空间里(在挡坝的外部)；随后，使包封物固化；最后执行的是切割步骤，以分离成单个的封装装置。
前述说明的目的是为了解释本发明，虽然本发明以优选的方式进行的描述，但只是为了更彻底地解释本发明。然而，本领域的技术人员可以理解，在实施本发明时，一些特定细节并不是必须的。因此，前述本发明特定实施方式的叙述目的是为了说明及描述，而并非是为了穷尽或限制本发明于特定的公开方式；显而易见的是，经本发明的以上启示，就完全可能做出许多其它的改进和改变。

Claims (25)

1.一种封装的器件组件，其包括：
装配于中介层的图像传感器；
图像传感器芯片块和中介层之间的多条丝焊；
透明盖板，其通过垫片封胶连接于所述图像传感器芯片块的一表面，以提供在所述图像传感器芯片块表面之上、具有可控高度的粘接面，从而为丝焊提供间隙。
2.如权利要求1所述的组件，其中，所述的垫片封胶环绕像素阵列形成挡坝。
3.如权利要求2所述的组件，其中，所述的挡坝进一步包括由所述图像传感器芯片块上沉积层形成的、下部图案化平顶区域。
4.如权利要求2所述的组件，其中，在所述透明盖板之下、所述挡坝之外的区域设置有包封，以密封所述多条丝焊，并提供防止水分渗透的保护。
5.一种封装的器件组件，其包括：
中介层，其第一表面的第一部分具有芯片块连接区域，其第一表面的第二部分具有丝焊连接区域；
图像传感器芯片块，其具有下表面和相对应的上表面，所述下表面装配于所述中介层的芯片块连接区域，所述上表面的中心区域具有像素阵列，所述像素阵列周围的边缘区域具有丝焊接触垫片；
丝焊，用于在所述中介层上单个丝焊连接区域和图像传感器的丝焊接触垫片之间提供电连接，丝焊具有如此的弯曲，使得所述丝焊延伸到高于所述图像传感器芯片块的上表面；
透明盖板，其通过垫片封胶连接于所述图像传感器的上表面；所述垫片封胶具有由有机聚合物球构成的垫片；所述垫片封胶分布于所述图像传感器块上表面中心区域的外部区域，以环绕所述像素阵列形成挡坝；该挡坝进一步所述在透明盖板和图像传感器芯片块上表面之间的中间区域形成腔室；
包封，其形成于所述透明盖板之下、腔所述室和挡坝之外的区域，用于包封丝焊；
所述的挡坝高于所述图像传感器芯片块一个选定的高度，该高度能为位于所述透明盖板之下的丝焊提供安全间隙。
6.如权利要求5所述的组件，其中，所述的挡坝完全由分布于所述上表面的垫片封胶形成，所述挡坝的高度取决于垫片封胶中垫片的尺寸。
7.如权利要求5所述的组件，其中，所述的挡坝包封了所述丝焊高于所述图像传感器芯片块上表面的部分。
8.如权利要求5所述的组件，其中，所述的挡坝是由位于平顶区域上的垫片封胶形成的；所述的平顶区域为分布于所述中心区域之外的平版图案化材料。
9.如权利要求8所述的组件，其中，所述的平顶区域包括用于平版图案化的聚合物。
10.如权利要求9所述的组件，其中，所述的平顶区域包括光敏材料。
11.一种封装的器件组件，其包括：
中介层，该中介层第一表面的第一部分具有芯片块连接区域，该中介层第一表面的第二部分具有丝焊连接区域；
图像传感器芯片块，其具有下表面和相对应的上表面，所述下表面装配于所述中介层的芯片块连接区域，所述上表面的中心区域具有像素阵列，所述像素阵列周围的边缘区域具有丝焊接触垫片；
丝焊，用于在所述中介层上单个的丝焊连接区域和图像传感器的丝焊接触垫片之间提供电连接，丝焊具有如此的弯曲，使得所述丝焊延伸到高于所述图像传感器芯片块的上表面；
透明盖板，其通过垫片封胶区域连接于所述图像传感器，该垫片封胶区域分布于除了具有所述像素阵列的中心部分区域之外的、所述图像传感器芯片块周围的区域；所述的垫片封胶具有有机聚合物垫片，该垫片的尺寸选定能提供低倾角的粘接面，而且该垫片封胶延伸至高于所述图像传感器芯片块上表面足够的高度，以为位于所述透明盖板之下的丝焊提供安全间隙。
12.如权利要求11所述的组件，其中，所述的垫片封胶区域临近所述像素阵列并形成挡坝。
13.如权利要求12所述的组件，其中，所述的垫片封胶区域包封了所述丝焊高于所述图像传感器芯片块上表面的部分。
14.如权利要求13所述的组件，其进一步包括光学不透明的包封，该包封形成于所述透明盖板之下、所述腔室和挡坝之外的区域，以包封所述丝焊。
15.如权利要求11所述的组件，其中，所述的垫片封胶区域形成于下方的图案化平顶区域之上，所述下方的图案化平顶区域和垫片封胶区域的结合形成环绕所述像素阵列的挡坝。
16.如权利要求15所述的组件，其中，所述的挡坝不覆盖所述丝焊连接区域。
17.一种封装图像传感器的方法，其包括：
将图像传感器芯片块的下表面连接到中介层，该图像传感器芯片块的上表面具有中心区域和周围的边缘区域，该中心区域包括像素阵列，该周围的边缘区域包括丝焊接触垫片；
在所述图像传感器芯片块和中介层之间设置丝焊；
使垫片封胶分布于环绕所述像素阵列的边缘区域，以形成挡坝，该垫片封胶具有有机聚合物垫片球；
使透明盖板连接到所述垫片封胶并使所述垫片封胶固化，以使所述透明盖板粘接到所述图像传感器芯片块；
选定所述垫片封胶中垫片的尺寸，使得所述透明盖板延伸至高于所述图像传感器芯片块一个可控的距离，以为所述丝焊提供足够的安全间隙。
18.如权利要求17所述的方法，其中，所述使所述垫片封胶分布的步骤包括：使用孔来分布所述垫片封胶，该孔的尺寸大于所述垫片尺寸一定倍数，使得所述垫片封胶的宽度随着所述垫片尺寸的增加而增加，进一步选定所述垫片的尺寸，以控制所述垫片封胶的宽度。
19.如权利要求18所述的方法，其中，所述垫片的尺寸以密尔计量，1密尔为千分之一英寸，相当于25.4微米，所述垫片的尺寸不大于4密尔。
20.如权利要求19所述的方法，其中，所述垫片封胶的厚度不大于3密尔。
21.如权利要求17所述的方法，其进一步包括平版图案化位于下方的平顶区域，该平顶区域是所述图像传感器芯片块上除了所述中心部分和所述丝焊接触区域之外的区域，所述垫片封胶分布于该位于下方的平顶区域之上。
22.如权利要求21所述的方法，其中，所述的平版图案化位于下方的平顶区域的步骤包括图案化光敏材料。
23.如权利要求17所述的方法，其包括包封所述透明盖板之下、所述挡坝之外的区域。
24.一种封装图像传感器的方法，其包括：
将图像传感器芯片块装配于中介层，并且在所述图像传感器芯片块和中介层之间设置多条丝焊；
使用挡坝将透明盖板连接到所述图像传感器芯片块，该挡坝包括能提供粘接面的垫片封胶，该挡坝具有高于所述图像传感器芯片块表面的可控高度，以便于为所述丝焊提供间隙。
25.如权利要求24所述的方法，其包括用包封密封透明盖板之下、所述挡坝之外的区域。
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