CN102502480A

CN102502480A - 圆片级固态图像传感器的封装方法

Info

Publication number: CN102502480A
Application number: CN2011104578835A
Authority: CN
Inventors: 尚金堂; 秦顺金; 于慧; 蒯文林
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2011-12-30
Filing date: 2011-12-30
Publication date: 2012-06-20

Abstract

本发明提供一种圆片级固态图像传感器的封装方法，包括以下步骤：在硅圆片上刻蚀微槽环阵列得到硅圆片模具；将硼硅玻璃圆片与上述硅圆片模具在真空条件下进行键合，使得硅圆片模具的微槽环密封；将上述键合好的圆片加热至玻璃软化点以上并保温一定时间，外界环境的大气压使得软化的玻璃成型获得玻璃凸环，然后冷却使玻璃凝固，再进行退火；除去硅圆片模具，从而得到带有玻璃凸环和平面光学窗口的玻璃圆片；对准后，用胶粘剂在玻璃凸环的端部将两者粘结起来，从而使得固态图像传感器密封，再经过背面减薄工艺即可得到封装好的固态图像传感器。该方法具有工艺流程简单、成本低、高度可控、平行度好、成品率高的特点。

Description

圆片级固态图像传感器的封装方法

技术领域

本发明涉及一种MOEMS（微光机电系统）封装技术，尤其涉及一种圆片级固态图像传感器的封装方法。

背景技术

现如今，对于如PDA，笔记本电脑和移动手机等移动终端设备来说，人们对多功能、低成本的需求在产品设计和制造技术中发挥着越来越重要的作用。近年来，在手机等便携式消费电子产品终端上搭载有微型的视频摄像模块。在移动手机中，除了它的主要功能以外，摄像功能被用户和手机制造商认为是核心功能。行业为此投入了大量的精力致力于提升和优化移动手机摄像头的制造工艺。圆片级摄像头（Wafer level camera）被认为是能够满足这些需求的技术。

消费类电子产品中图像传感器分辨率不断的增加及对市场对小外形摄像头的需求使得图像传感器的像素点减小到1.4μm。这一技术进步使得人们能够生产出高像素且小外形的的图像传感器。除了像素点尺寸以外，图像传感器的制造和封装工艺也是影响摄像头最终尺寸的关键因素。摄像头中的CMOS图像传感器的有源面需要在封装过程中得到保护，从而避免像素点被工艺过程中的颗粒沾污。目前人们通常采用热固性树脂将玻璃圆片与硅片粘结起来并用于控制玻璃圆片与图像传感器芯片的距离，由于热固性树脂内填有颗粒，因此在制作通孔的时候，颗粒容易污染芯片的表面；此外，在用等离子体对树脂进行加工时，也容易产生副产物从而污染芯片表面，造成成品率大幅度下降至90%左右；同时玻璃圆片与硅圆片之间的间距难以控制。此外，这种方法封装的图像传感器的玻璃圆片与硅圆片的平整度也很难控制，专利申请人发展了几种圆片级玻璃微球腔的制备方法：正压热成型和负压热成型方法。Pyrex7740玻璃（含有碱金属离子，Pyrex是美国Corning公司的品牌）是一种重要的材料，它有着与半导体硅材料（常温下，Pyrex7740玻璃热膨胀系数为

Figure 2011104578835100002DEST_PATH_IMAGE001

，硅的热膨胀系数为

Figure 2011104578835100002DEST_PATH_IMAGE002

）相匹配的热膨胀系数，有着高透光率和较强的强度，使得Pyrex7740玻璃广泛应用于MOEMS、MEMS封装和微流体等领域。

发明内容

本发明的目的是提供一种工艺流程简单、成本低、高度可控、平行度好、成品率高的圆片级固态图像传感器的封装方法。

本发明采用如下技术方案：一种圆片级固态图像传感器的封装方法，包括以下步骤：第一步，在硅圆片上刻蚀微槽环阵列，从而得到硅圆片模具；第二步，将硼硅玻璃圆片与上述硅圆片模具在真空条件下进行键合，使得硅圆片模具的微槽环密封；第三步，将上述键合好的圆片加热至玻璃软化点以上并保温一定时间，外界环境的大气压使得软化的玻璃成型获得玻璃凸环，然后冷却使玻璃凝固，再进行退火；第四步，除去硅圆片模具，从而得到带有玻璃凸环和平面光学窗口的玻璃圆片；第五步，将带有玻璃凸环和平面光学窗口的玻璃圆片与载有固态图像传感器的圆片对准后，用胶粘剂在玻璃凸环的端部将两者粘结起来，从而使得固态图像传感器密封，再经过背面减薄工艺即可得到封装好的固态图像传感器。

上述技术方案中，所述方形槽的图形与（100）硅圆片的（110）方向垂直或平行，可通过设计硅模具开口宽度和腐蚀的条件及时间来精确控制玻璃圆片（2）与硅圆片（8）间的间距。所述的硼硅玻璃圆片优选为Pyrex7740玻璃圆片。所述退火温度为550℃～570℃，退火保温时间为30min，然后缓慢风冷至常温。第二步所述的粘结采用的方法为阳极键合，阳极键合条件为：电压600V～800V，温度为300℃～500℃。第三步所述键合好的圆片加热温度为820℃～900℃。

本发明获得如下效果：

1．本发明将该含有浅槽阵列结构的Si片与Pyrex7740玻璃在真空条件下进行阳极键合形成真空状态的微腔，然后在常压下加热到玻璃的软化点温度进行热处理，只有微槽环对应部位上方的熔融玻璃在真空负压力的作用下与硅凹槽表面贴合，形成玻璃凸环，而环内部分则不发生变形，从而提供优异的平面光学窗口，使得图像传感器不会发生失真。由于本发明基于传统的微电子加工工艺，在硅圆片上刻蚀浅槽阵列作为模具，由于Si微加工技术是非常成熟的工艺，其深度精确可控，因此能够精确的控制和调整所成型的玻璃腔的高度，从而适合图像传感器的封装；此外，由于通过微电子工艺制备的各玻璃凸环的高度一致性非常好，因而，封装以后玻璃圆片与硅衬底的平行度非常好，正负不超过0.5度，避免了图像传感器图像信号的失真，更有利于图像传感器性能的提高。此外，由于本发明无需采用等离子加工、钻孔等工艺，因此不会对芯片产生颗粒、粉末污染，进一步保证了封装成品率的提高，封装的图像传感器的成品率可达97%以上。此外，由于整个过程中不使用聚合物作为中间层，而采用与图像传感器载片热膨胀系数匹配的玻璃，因此热可靠性好，密封效果好，器件的可靠性能够得到进一步提高。

2．本发明中去除用于加工玻璃模具的硅模具之后，用玻璃焊料、UV胶或热固性树脂将玻璃圆片与图像传感器的硅圆片对准且粘结起来。

3．本发明中的退火工艺可以有效的消除Pyrex7740玻璃承受高温成型过程中形成的应力，从提高玻璃结构可靠性。在该条件下退火，既能有效退去应力，还能够使得微结构的形状基本无改变，而退火温度过高容易导致微结构形状发生变化；而过低的退火温度则无法有效去除Pyrex7740玻璃微结构的应力。

4．本发明采用常规硅微加工工艺在圆片上进行加工，因此工艺过程简单可靠，成本低廉，并且可实现玻璃模具的圆片级制造。

5．本发明制备与Si热膨胀系数相当的Pyrex7740玻璃作为玻璃微腔结构，在制备微腔时不容易使键合好的圆片因热失配产生损坏，工艺过程中受热时不易发生热失配。

附图说明

图1 为用于制备带有凸环和平面光学窗口的玻璃圆片的硅模具表面示意图

图2 为热成型后的玻璃圆片（未去除硅）截面示意图

图3 为热成型后的玻璃圆片（已去除硅）截面示意图

图4 为玻璃圆片与固态图像传感器硅圆片粘结的截面示意图

图5 为硅圆片减薄后的截面示意图。

具体实施方式

实施例1

一种圆片级固态图像传感器的封装方法，包括以下步骤：第一步，在硅圆片（例如4英寸圆片）上刻蚀微槽环阵列，从而得到硅圆片模具；该微腔为圆形或者方形，所述的制备硅圆片上的图案结构的工艺为湿法刻蚀工艺、反应离子刻蚀（RIE）工艺或者深反应离子刻蚀（DRIE）中的一种。第二步，将硼硅玻璃圆片与上述硅圆片模具在真空（5E～5Pa）条件下进行键合，使得硅圆片模具的微槽环密封；本发明中，所述的玻璃为Pyrex7740玻璃，所述的粘结采用的方法为阳极键合，阳极键合条件为：电压600V～800V，温度为300℃～500℃。第三步，将上述键合好的圆片加热至玻璃软化点以上并保温一定时间，外界环境的大气压使得软化的玻璃成型获得玻璃凸环，然后冷却使玻璃凝固，再进行退火；所述键合好的圆片加热温度为820℃～900℃，保温3～8min，在高温下，腔外的压强大于内部压强，腔内外压力差使软化后的玻璃与硅凹槽表面贴合在一起，冷却，再在常压下退火消除应力。退火温度范围为在550℃～570℃，退火保温时间为30min，然后缓慢风冷至常温。第四步，将上述成型后的圆片放入TMAH碱性溶液中腐蚀，除去硅圆片模具，从而得到带有玻璃凸环和平面光学窗口的玻璃圆片；第五步，将带有玻璃凸环和平面光学窗口的玻璃圆片与载有固态图像传感器的圆片对准后，用UV固化胶在玻璃凸环的端部将两者粘结起来，从而使得固态图像传感器密封，再经过背面减薄工艺即可得到封装好的固态图像传感器。

Claims

1.一种圆片级固态图像传感器的封装方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，在硅圆片上刻蚀微槽环（1）阵列得到硅圆片模具（2）；第二步，将硼硅玻璃圆片与上述硅圆片模具（2）在真空条件下进行键合，使得硅圆片模具（2）的微槽环（1）密封；第三步，将上述键合好的圆片加热至玻璃软化点以上并保温一定时间，外界环境的大气压使得软化的玻璃成型获得玻璃凸环（4），然后冷却使玻璃凝固，再进行退火；第四步，除去硅圆片模具（2），从而得到带有玻璃凸环（4）和平面光学窗口（5）的玻璃圆片；第五步，将带有玻璃凸环（4）和平面光学窗口（5）的玻璃圆片与载有固态图像传感器的圆片对准后，用胶粘剂（6）在玻璃凸环的端部将两者粘结起来，从而使得固态图像传感器密封，再经过背面减薄工艺即可得到封装好的固态图像传感器。

2.根据权利要求2所述的圆片级固态图像传感器的封装方法，其特征在于，所述的硼硅玻璃圆片为Pyrex7740玻璃圆片。

3.根据权利要求1所述的圆片级固态图像传感器的封装方法，其特征在于，所述硅圆片（2）为（100）晶向的硅圆片，方形槽的图形与（100）硅圆片的（110）方向垂直或平行，腐蚀方法为湿法腐蚀或干法刻蚀。

4.根据权利要求1所述的圆片级固态图像传感器的封装方法，其特征在于，所述退火温度为550℃～570℃，退火保温时间为30min，然后缓慢风冷至常温。

5.根据权利要求1所述的圆片级固态图像传感器的封装方法，其特征在于，第三步所述键合后的圆片加热温度为820℃～900℃。

6.根据权利要求1所述的圆片级固态图像传感器的封装方法，其特征在于，第二步所述的粘结采用的方法为阳极键合，阳极键合条件为：电压600V～800V，温度为300℃～500℃，气压为2E-5～8E-5Pa。

7.根据权利要求1所述的圆片级固态图像传感器的封装方法，其特征在于，采用的粘结剂为玻璃焊料或UV固化胶等。