CN102891151A - 背照式图像传感器的低应力腔体封装及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的名称为背照式图像传感器的低应力腔体封装及其制作方法。图像传感器封装包括图像传感器芯片和晶体处理体。图像传感器芯片包括衬底以及在衬底的正面的多个光检测器和接触片。晶体处理体包括相对的第一和第二表面以及形成到第一表面中的腔体。柔顺介电材料布置在腔体中。图像传感器正面附连到晶体衬底处理体第二表面。多个电互连各包括：与接触片之一对齐的孔，其中，第一部分从第二表面延伸到腔体，而第二部分贯穿柔顺介电材料；绝缘材料层，沿孔的第一部分的侧壁形成；以及导电材料，贯穿孔的第一和第二部分，并且电耦合到一个接触片。
Description
技术领域
本发明涉及微电子器件的封装，并且更具体来说，涉及光半导体器件的封装。
背景技术
半导体器件的趋势是封装在较小封装(封装保护芯片，同时提供芯片外信号连通性)中的更小的集成电路(IC)器件(又称作芯片)。一个示例是图像传感器，图像传感器是包括光检测器的IC器件，光检测器将入射光变换为电信号(它们以良好空间分辨率来准确反映入射光的强度和颜色信息)。
一种图像传感器类型是前照式(FSI)图像传感器，前照式图像传感器具有在其之上构建电路的硅芯片上形成的光检测器。将滤色器和微透镜添加在电路之上。通过FSI图像传感器，光线在到达光检测器之前经过电路层。FSI图像传感器的一个限制在于，电路层限制各像素的孔径。随着像素尺寸因更大数量的像素和更小芯片尺寸的需求而缩减，像素面积与总传感器面积之比减小，这降低传感器的量子效率(QE)。
另一种类型的图像传感器是背照式(BSI)图像传感器。BSI图像传感器配置成使得光线通过芯片的背面(衬底侧)进入。光线经过硅衬底并且传到光检测器，而无需经过任何电路层。BSI图像传感器的优点在于，避免了电路层，并且因而不需要以足以允许光线传到每个光检测器的间隙来形成电路层。但是，随着光路通过使用BSI传感器而变得更短，微透镜变得更厚(即，以便在更短距离实现用于聚焦的更短焦距)。
当前，板上芯片(COB)和Shellcase晶圆级CSP过程是用于FSI图像传感器架构的最主流封装和组装过程。但是，随着市场从FSI转向其中接触片(contact pad)和成像区域这时布置在芯片/晶圆的相对侧的BSI传感器，COB和Shellcase WLCSP技术将在封装和组装这类BSI传感器方面面临重大难题。
发明内容
本发明是用于BSI图像传感器的新晶圆级、低应力封装。图像传感器封装包括图像传感器芯片和晶体处理体。图像传感器芯片包括具有相对正面和背面的衬底、在正面所形成的多个光检测器以及在正面所形成的与光检测器电耦合的多个接触片。晶体处理体具有相对的第一和第二表面以及形成到第一表面中的腔体，其中柔顺介电材料(compliant dielectric material)布置在腔体中，并且其中图像传感器芯片衬底正面附连到晶体衬底处理体(crystalline substrate handler)第二表面。晶体处理体包括多个电互连，多个电互连的每个包括：与接触片之一对齐的孔，其中第一部分从第二表面延伸到腔体，而第二部分贯穿柔顺介电材料；绝缘材料层，沿孔的第一部分的侧壁形成；以及导电材料，贯穿孔的第一和第二部分，其中导电材料电耦合到一个接触片。
一种形成图像传感器封装的方法包括提供图像传感器芯片(图像传感器芯片包括具有相对的正面和背面的衬底、在正面所形成的多个光检测器以及在正面所形成的与光检测器电耦合的多个接触片)，提供具有相对的第一和第二表面的晶体处理体，将图像传感器芯片衬底正面附连到晶体处理体第二表面，将腔体形成到第一表面中，在腔体中形成柔顺介电材料，以及形成多个电互连。每个电互连通过下列步骤来形成：形成第一部分从第二表面延伸到腔体并且第二部分贯穿柔顺介电材料的孔，其中孔与接触片之一对齐；沿孔的第一部分的侧壁形成绝缘材料层；以及形成贯穿孔的第一和第二部分的导电材料，其中导电材料电耦合到一个接触片。
通过审阅本说明书、权利要求书和附图，本发明的其它目的和特征将变得显而易见。
附图说明
图1-6是依次示出处理BSI图像传感器的封装结构中的步骤的半导体封装结构的截面侧视图。
图7-11是依次示出处理带有集成处理器的BSI图像传感器的封装结构中的步骤的半导体封装结构的一个备选实施例的截面侧视图。
具体实施方式
本发明是对于BSI图像传感器是理想的晶圆级、低应力封装解决方案。下面描述低应力封装解决方案的形成。
形成过程开始于如图1所示的BSI图像传感器芯片10，BSI图像传感器芯片包括其上形成多个光检测器14(及配套电路)连同接触片16的衬底12。光检测器14(及配套电路)和接触片16在衬底12面向下的表面(正面)形成，如图1所示。优选地，所有配套电路在光检测器14之下形成，使得它没有阻碍穿过衬底10的光线到达光检测器14。接触片16电连接到光检测器(和/或其配套电路)，用于提供芯片外信号。每个光检测器将进入芯片的那个背侧(图1中的面向上表面)的光能转换成电压信号。可包含芯片上的附加电路以放大电压，和/或将其转换成数字数据。这种类型的BSI图像传感器是本领域众所周知的，并且本文不作进一步描述。
通过将包含光检测器14(及配套电路)和接触片16的衬底12的表面接合到晶体处理体18的表面，将BSI图像传感器芯片10安装到晶体处理体18，如图2所示。通过将接合材料20分配在处理体18与衬底12之间，并且然后将其压制在一起，来实现接合。接合材料能够包括聚合物胶、聚酰亚胺、低温熔融玻璃等。一种优选的非限制性技术能够包括将聚酰亚胺电介质20分配在处理体18与衬底12之间，使处理体18和衬底12旋转以便保形延展(conformal spreading)两个晶圆之间的聚酰亚胺20，以及加热固化(例如450℃，取决于材料性质)。如果尚未进行，则还可通过硅蚀刻使衬底12变薄(例如降到低至大约50μm的厚度，其中光检测器14的厚度低至大约5-10μm)。所产生结构如图2所示。
滤色器22和微透镜24安装到衬底12的背面(即，其上形成光检测器14的相对表面)。抗反射涂层还能够施加到或者包含在微透镜24上。然后，玻璃盖片(glass cover)26附连到衬底12(并且在滤色器/微透镜22/24之上)。盖片26包括预成型腔体28，以便接纳和密封滤色器/微透镜22/24。玻璃盖片26的附连优选地通过分配环氧树脂薄层(即，～1μm)之后接着带压力的低温接合来实现。随后，腔体30在处理体18中形成。能够通过使用激光、等离子体蚀刻过程、喷砂过程、机械研磨过程或者任何其它类似方法来形成腔体30。优选地，腔体30通过光刻等离子体蚀刻来形成，光刻等离子体蚀刻包括在处理体18上形成光致抗蚀剂层，对光致抗蚀剂层图形化以露出处理体18的选择部分，以及然后执行等离子体蚀刻过程(例如使用SF6等离子体)以去除处理体18的外露部分，从而形成腔体30。优选地，腔体延伸不超过晶体衬底厚度的3/4，或者在腔体的最薄部分至少留下大约50μm的最小厚度。等离子体蚀刻能够是各向异性的、逐渐变细的(tapered)、各向同性的或者它们的组合。所产生结构如图3所示。
然后，使用例如旋涂过程、喷涂过程、点胶过程(dispense process)、电化学沉积过程、层叠过程或者任何其它类似方法，采用柔顺介电材料32来填充腔体30。柔顺电介质是较软材料(例如焊接掩模)，它在所有三个正交方向均呈现柔顺性，并且能够适应晶体衬底(～2.6ppm/℃)与Cu(～17ppm/℃)互连之间的热膨胀系数(CTE)失配。柔顺介电材料32优选地是聚合物，例如BCB(苯并环丁烯)、焊接掩模、焊接抗蚀剂或BT环氧树脂。然后，通过介电材料32、晶体处理体18的较薄部分以及接合材料20来形成孔34，以便露出接触片16。能够通过将CO2激光器(例如大约70μm的光斑大小)用于较大尺寸的孔34或者将UV激光器(例如在355nm的波长大约为20μm的光斑大小)用于较小尺寸的孔34(例如直径小于50μm)，来形成孔34。能够使用在小于140ns的脉冲长度处10与50kHz之间的激光脉冲频率。孔34的剖面可以逐渐变细，在通过其形成孔34的表面具有较大尺寸。优选地，最小和最大孔直径分别大约为5至250μm，并且壁的角度相对于与通过其形成孔34的表面垂直的方向是在0°与45°之间(即，使得孔34在接触片处具有较小截面大小)。通过薄膜涂层和光刻过程，在孔34内部、处理体18的外露部分上形成绝缘层35。所产生结构如图4所示。
随后执行孔34的金属化过程。金属化过程优选地开始于用于去除孔34的内壁上沾污的任何聚合物(由钻通诸如环氧树脂、聚酰亚胺、氰酸酯树脂等介电材料所引起)的去钻污过程。该过程涉及将聚合物污迹与伽玛丁内酯(gamma-butyrolactone)和水的混合物接触以软化聚合物污迹，之后接着采用碱性高锰酸盐溶液的处理以去除软化树脂以及采用含水酸性中和剂的处理以中和并且去除高锰酸盐残留物。在去钻污处理之后，通过非电解镀铜(electroless copper plating)，在孔34的侧壁上并且沿着柔顺电介质32的底面形成初始导电金属化层36。通过来自表面粗糙度的锚定效应，在电镀界面得到粘合。所产生结构如图5所示。
然后，孔34外部的金属层36通过光刻过程(光致抗蚀剂沉积、掩模曝光、选择性抗蚀剂去除和金属蚀刻)来进行图形化，以便在金属层36中形成端接于接触片38的迹线。各接触片38经由金属层36在孔34的端部电耦合到接触片16之一。然后，封装绝缘层40经由层叠、喷涂/旋涂等等在金属层36(及其接触片38)和柔顺电介质32之上形成。层40能够是焊接掩模、BCB、E涂层、BT树脂、FR4、成型化合物(mold compound)等等。这之后接着是层40的选择性深蚀刻(selective etch back)以露出接触片38。选择性深蚀刻能够通过光刻过程来执行，以便选择性地去除接触片38之上的层40的那些部分。然后，使用焊接合金的丝网印刷过程，或者通过植球过程(ball placementprocess)，或者通过电镀过程，在接触片38上形成BGA互连42。BGA(球栅阵列)互连是用于与对等导体进行物理和电接触的圆形导体，通常通过将金属球焊接到或者局部熔融到接合片上来形成。所产生结构如图6所示。
如上所述并且如图所示的BSI图像传感器的晶圆级低应力封装及其制造方法具有若干优点。首先，孔34以及其中的金属层36形成通过封装将信号从BSI图像传感器接触片传递到BGA互连42的电互连。其次，与形成通过晶体硅处理体18的整个宽度的较长的孔(这要求昂贵的硅蚀刻设备和处理)相比，通过电介质32和处理体18的变薄部分来形成孔34是更简易的，并且要求不太昂贵的设备和处理。第三，机械应力降低，因为与封装主要是通过其整个厚度的晶体硅时相比，介电材料32的热和机械特性与其上将要安装封装的PCB的热和机械特性更好地匹配。第四，介电材料32还提供优良机械和电绝缘。第五，经由金属电镀来形成金属互连(即，金属层36)避免使用会是高成本的溅射或蒸发设备，并且电镀过程不太可能损坏绝缘材料32和35。第六，通过倾斜地形成孔34的壁，降低晶体处理体上可能有害的诱导应力，该应力可能由90度角引起。第七，孔34的倾斜侧壁还表示不存在能够导致介电材料32所形成的间隙的负角区域。第八，通过首先形成绝缘材料32，并且然后在其上形成金属化层36，避免了到晶体处理体18中的金属扩散。
图7-11示出包括用于图像传感器芯片10的集成处理器的备选实施例的形成。以图3的结构开始，然后，在采用介电材料32填充腔体30之后，第二腔体50则在柔顺介电材料32中形成。能够通过使用激光、喷砂过程、机械研磨过程或者任何其它类似方法来形成腔体50。优选地，腔体50通过按照如下方式使用激光来形成：腔体没有一直贯穿柔顺介电材料32(使得在腔体50中没有露出处理体18)。所产生结构如图7所示。
然后，将处理器IC芯片52插入腔体50。IC芯片52包括用于处理来自图像传感器芯片10的信号的处理器集成电路。IC芯片52包括在其底面外露的用于传递芯片上和芯片外信号的导电接触片54。然后，封装绝缘层56在将IC芯片52封装到腔体50内部的结构上形成。层56能够是焊接掩模、BCB、E涂层、BT树脂、FR4、成型化合物或者其它类似绝缘材料。所产生结构如图8所示。
然后，孔34按照与以上针对图4所述相似的方式来形成(通过层56、柔顺电介质32、处理体18和接合材料20，以便露出接触片16)。孔34内部的处理体18的外露部分上的绝缘层35也如上所述来形成。孔58按照与形成孔34相似的方式通过层56来形成，以便露出处理器IC芯片52的导电片54。所产生结构如图9所示。
执行如上针对图5所述的金属化过程，以便形成导电金属化层36。对于本实施例，层36电耦合到(图像传感器芯片的)接触片16和(处理器IC芯片52的)接触片54，如图10所示。然后，如上针对图6所述，对孔34和58外部的金属层36图形化，以便形成端接于接触片38的迹线。然后，形成封装绝缘层40连同BGA互连42，如上参照图6所述。所产生结构如图11所示。
以上所述的封装配置对于联合封装处理芯片与图像传感器芯片是理想的。处理芯片包括硬件处理器和软件算法的组合，它们共同构成用于从单独光检测器14来采集亮度和色度信息并且使用它来计算/内插各像素的正确颜色和辉度值的图像处理器。图像处理器评估给定像素的颜色和辉度数据，将它们与来自相邻像素的数据进行比较，并且然后使用去马赛克算法从不完全颜色样本来重构全色图像，以及产生像素的适当辉度值。图像处理器还评估整个图片，以及校正锐度和降低图像的噪声。
图像传感器的演进导致图像传感器中更高的像素数以及要求能够以更高速度进行操作的更强大图像传感器处理器的诸如自动聚焦、变焦、红眼消除、脸部跟踪等的附加照相机功能性。摄影师不希望在其能够继续拍摄之前等待照相机的图像处理器完成其工作-他们甚至不希望注意到某种处理正在照相机内部进行。因此，图像处理器必须优化成在相同或者甚至更短的时间段中处理更多数据。
要理解，本发明并不局限于上面所述和本文所示的实施例，而是包含落入所附权利要求书的范围之内的任何和全部变更。例如，本文中提到本发明并不是要限制任何权利要求或权利要求项的范围，而是只提到可由权利要求的一项或多项包含的一个或多个特征。以上所述的材料、过程和数值示例只是示范性的，而不应当被认为是限制权利要求。此外，通过权利要求书和说明书显而易见，并非全部方法步骤都需要按照所示或要求保护的准确顺序来执行，而是按照允许正确形成本发明的BSI图像传感器封装的任何顺序单独或同时执行。单层材料可能形成为这类或类似材料的多层，反过来也是一样。
应当注意，本文所使用的术语“之上”和“上”在内地包括“直接在上”(没有中间材料、元件或空间布置在其之间)和“间接在上”(中间材料、元件或空间布置在其之间)。同样，术语“相邻”包括“直接相邻”(没有中间材料、元件或空间布置在其之间)和“间接相邻”(中间材料、元件或空间布置在其之间)，“安装到”包括“直接安装到”(没有中间材料、元件或空间布置在其之间)和“间接安装到”(中间材料、元件或空间布置在其之间)，以及“电耦合”包括“直接电耦合到”(其之间没有将元件电连接在一起的中间材料或元件)和“间接电耦合到”(其之间将元件电连接在一起的中间材料或元件)。例如，“在衬底之上”形成元件能够包括没有隔着中间材料/元件直接在衬底上形成元件以及隔着一个或多个中间材料/元件在衬底上间接形成元件。
Claims (27)
1.一种图像传感器封装，包括：
图像传感器芯片，包括：
具有相对的正面和背面的衬底，
在所述正面所形成的多个光检测器，以及
在与所述光检测器电耦合的所述正面所形成的多个接触片；
晶体处理体，具有相对的第一和第二表面以及形成到所述第一表面中的腔体，其中柔顺介电材料布置在所述腔体中，并且图像传感器芯片衬底正面附连到晶体衬底处理体第二表面；
所述晶体处理体包括多个电互连，各包括：
与所述接触片之一对齐的孔，其中第一部分从所述第二表面延伸到所述腔体，而第二部分贯穿所述柔顺介电材料，
沿所述孔的第一部分的侧壁所形成的绝缘材料层，以及
贯穿所述孔的所述第一和第二部分的导电材料，其中所述导电材料电耦合到一个接触片。
2.如权利要求1所述的图像传感器封装，其中，所述柔顺介电材料包括聚合物。
3.如权利要求1所述的图像传感器封装，其中，对于所述多个电互连的每个，所述孔逐渐变细，使得所述孔在所述柔顺材料中比在所述第二表面具有更大的截面尺寸。
4.如权利要求1所述的图像传感器封装，其中，对于所述多个电互连的每个，所述孔的侧壁沿相对与所述第一和第二表面垂直的方向5°与45°之间的方向延伸。
5.如权利要求1所述的图像传感器封装，其中，对于所述多个电互连的每个，所述导电材料包括沿第一和第二孔部分的侧壁延伸的金属层。
6.如权利要求1所述的图像传感器封装，其中，所述多个电互连的每个还包括布置在所述第一表面之上并且电耦合到所述导电材料的圆形互连。
7.如权利要求1所述的图像传感器封装，还包括：
布置在所述背面的用于对入射到所述背面的光线进行过滤和聚焦的多个光元件，其中所述光检测器配置成接收经过所述光元件和所述衬底的光线。
8.如权利要求1所述的图像传感器封装，还包括：
附连到所述背面、在所述光元件之上延伸的玻璃盖片。
9.如权利要求1所述的图像传感器封装，其中，所述柔顺介电材料完全填充所述腔体。
10.如权利要求1所述的图像传感器封装，还包括：
在所述介电材料中形成的第二腔体；以及
处理器IC芯片，布置在所述第二腔体中，并且配置成处理来自所述图像传感器芯片的信号，其中所述处理器IC芯片包括多个接触片。
11.如权利要求10所述的图像传感器封装，还包括：
在所述处理器IC芯片和所述第一表面之上延伸的第二绝缘材料层；以及
多个孔，各贯穿第二绝缘材料层，从而露出所述处理器IC芯片的所述接触片之一。
12.如权利要求11所述的图像传感器封装，还包括：
多个圆形互连，各布置在所述处理器IC芯片的所述接触片其中之一之上并且与其电耦合。
13.一种形成图像传感器封装的方法，包括：
提供图像传感器芯片，所述图像传感器芯片包括具有相对正面和背面的衬底、在所述正面所形成的多个光检测器以及在所述正面所形成的与所述光检测器电耦合的多个接触片；
提供具有相对的第一和第二表面的晶体处理体；
将图像传感器芯片衬底正面附连到晶体处理体第二表面；
将腔体形成到所述第一表面中；
在所述腔体中形成柔顺介电材料；
形成多个电互连，各通过下列步骤来形成：
形成第一部分从所述第二表面延伸到所述腔体而第二部分贯穿所述柔顺介电材料的孔，其中所述孔与所述接触片之一对齐，
沿所述孔的第一部分的侧壁形成绝缘材料层，以及
形成贯穿所述孔的第一和第二部分的导电材料，其中所述导电材料电耦合到一个接触片。
14.如权利要求13所述的方法，其中，所述附连在形成所述腔体之前执行。
15.如权利要求13所述的方法，其中，所述柔顺介电材料包括聚合物。
16.如权利要求13所述的方法，其中，对于所述多个电互连的每个，所述孔使用激光来形成。
17.如权利要求13所述的方法，其中，对于所述多个电互连的每个，所述孔逐渐变细，使得所述孔在所述柔顺材料中比在所述第二表面具有更大的截面尺寸。
18.如权利要求13所述的方法，其中，对于所述多个电互连的每个，所述孔的侧壁沿相对与所述第一和第二表面垂直的方向5°与45°之间的方向延伸。
19.如权利要求13所述的方法，其中，对于所述多个电互连的每个，所述导电材料包括沿第一和第二孔部分的侧壁延伸的金属层。
20.如权利要求19所述的方法，其中，对于所述多个电互连的每个，所述导电材料使用金属电镀过程来形成。
21.如权利要求13所述的方法，其中，形成所述多个电互连的每个还包括：
形成布置在所述第一表面之上并且电耦合到所述导电材料的圆形互连。
22.如权利要求13所述的方法，还包括：
将多个光元件附连在所述背面以用于对入射到所述背面的光线进行过滤和聚焦，其中所述光检测器配置成接收经过所述光元件和所述衬底的光线。
23.如权利要求13所述的方法，还包括：
把在所述光元件之上延伸的玻璃盖片附连到所述背面。
24.如权利要求13所述的方法，其中，所述柔顺介电材料完全填充所述腔体。
25.如权利要求13所述的方法，还包括：
在所述介电材料中形成第二腔体；以及
将处理器IC芯片插入所述第二腔体，其中所述处理器IC芯片配置成处理来自所述图像传感器芯片的信号，并且包括多个接触片。
26.如权利要求25所述的方法，还包括：
形成在所述处理器IC芯片和所述第一表面之上延伸的第二绝缘材料层；以及
形成多个孔，各孔贯穿所述第二绝缘材料层，从而露出所述处理器IC芯片的所述接触片之一。
27.如权利要求26所述的方法，还包括：
形成多个圆形互连，各圆形互连布置在所述处理器IC芯片的所述接触片其中之一之上并且与其电耦合。
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