CN103137632B - 用于cmos图像传感器的内插板封装及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于CMOS图像传感器的内插板封装及其制造方法。一种图像传感器封装及其制造方法，所述图像传感器封装包括具有通过其延伸的导电元件的晶体装卸器、设置在装卸器的腔体中的图像传感器芯片、以及设置在腔体上并且被结合到装卸器和图像传感器芯片的透明基板。所述透明基板包括导电迹线，所述导电迹线将传感器芯片的接触焊盘电连接到装卸器的导电元件，以便通过基板的导电迹线和装卸器的导电元件提供片外信号发送。

Description

用于CMOS图像传感器的内插板封装及其制造方法

技术领域

本发明涉及微电子器件的封装，更具体地说涉及光学半导体器件的封装。

背景技术

半导体器件的趋势是更小的集成电路（IC）器件（也称作芯片）、以更小的封装体封装（其保护芯片而同时提供片外信号连接性）。一个实例是图像传感器，其是包括将入射光变换成电信号的光电检测器（其准确地反映具有良好空间分辨率的入射光的强度和颜色信息）的IC器件。

在图像传感器的晶片级封装方案的开发后面存在不同的驱动力。例如，降低的形状因数（即增加的密度，用来实现最高容量/体积比）克服了空间限制并且能够实现更小的相机模块方案。可以以更短的互连长度来实现增加的电性能，这可以改善电性能并且因此改善器件速度，并且这大大减小了芯片功耗。异构集成允许集成不同的功能层（例如高分辨率和低分辨率图像传感器的集成、具有其处理器的图像传感器的集成等）。可以通过仅封装那些已知良好的芯片（即仅封装已知良好的管芯－KGD）来实现每单元封装的成本减少。

目前，板上芯片（COB—其中裸片被直接安装在印刷电路板上）和谢尔卡斯（Shellcase）晶片级CSP（其中晶片被层叠在两个玻璃薄片之间）是用来构造图像传感器模块（例如用于移动器件照相机、光学鼠标等）的主流的封装和装配工艺。然而，随着使用较高像素图像传感器，由于针对封装8和12英寸图像传感器晶片的投资支出、装配限制、尺寸限制（该要求是对于较低剖面器件的）以及产率问题，COB和ShellcaseWLCSP装配变得愈加困难。例如，ShellcaseWLCSP技术包括在晶片被单体化成独立的封装芯片之前在晶片上封装图像传感器，意味着来自每个晶片的有缺陷的那些芯片在它们可被测试之前仍然被封装（其抬高了成本）。另外，标准WLP封装是扇入封装，其中芯片面积等于封装面积，因此限制了I/O连接的数目。最后，标准WLP封装是裸管芯封装，其在测试处理、组装和SMT过程中可能是复杂的。

存在对用于诸如已经被单体化和测试的图像传感器的芯片的改进的封装和封装技术的需要，并且其提供节省成本和可靠的低剖面封装解决方案（即提供必要的机械支持和电连接性）。

发明内容

在本发明的一个方面中，图像传感器封装包括装卸器组件、传感器芯片和基板组件。装卸器组件包括具有相对的第一和第二表面的晶体装卸器和形成到第一表面中的腔体，和均通过所述晶体装卸器从第一表面延伸到第二表面的多个导电元件。传感器芯片设置在腔体中并且包括具有前和后相对表面的基板、形成在前表面处的多个光电检测器、和形成在前表面处、电耦合到光电检测器的多个接触焊盘。基板组件包括：基板，所述基板具有相对的顶和底表面并且对至少一个范围的光波长是光学透明的；和形成在底表面上的多个导电迹线。基板被设置在腔体上并且被结合到晶体装卸器和传感器芯片使得接触焊盘中的每一个电连接到导电迹线中的至少一个，并且所述导电迹线中的每一个电连接到导电元件中的至少一个。

本发明的另一方面是封装传感器芯片的方法，所述传感器芯片包括具有前和后相对表面的基板、形成在前表面处的多个光电检测器、和形成在前表面处、电耦合到光电检测器的多个接触焊盘。所述方法包括：提供具有相对的第一和第二表面的晶体装卸器；将腔体形成到第一表面中；形成均通过所述晶体装卸器从第一表面延伸到第二表面的多个导电元件；提供具有相对的顶和底表面的基板，其中基板对至少一个范围的光波长是光学透明的；在底表面上形成多个导电迹线；将传感器芯片插入腔体中；将基板结合到晶体装卸器和传感器芯片使得基板被设置在腔体上，并且接触焊盘中的每一个被电连接到所述导电迹线中的至少一个并且导电迹线中的每一个被电连接到导电元件中的至少一个。

在本发明的另一方面中，形成多个图像传感器封装的方法包括：提供具有相对的第一和第二表面的晶体装卸器；将多个腔体形成到第一表面中；形成均通过所述晶体装卸器从第一表面延伸到第二表面的多个导电元件；提供具有相对的顶和底表面的基板，其中基板对至少一个范围的光波长是光学透明的；在底表面上形成多个导电迹线；提供多个传感器芯片（其中传感器芯片中的每一个包括具有前和后相对表面的基板、形成在前表面处的多个光电检测器、和形成在前表面处、电耦合到光电检测器的多个接触焊盘）；将传感器芯片插入腔体中；将基板结合到晶体装卸器和传感器芯片使得基板被设置在腔体上，并且接触焊盘中的每一个被电连接到所述导电迹线中的至少一个并且导电迹线中的每一个被电连接到导电元件中的至少一个；以及切割晶体装卸器和基板以形成分开的封装，所述分开的封装均包括腔体中的一个和传感器芯片中的一个。

通过阅读说明书、权利要求和附图本发明的其它目的和特征将变得明显。

附图说明

图1A-1E是依次示出形成装卸器组件的步骤的截面侧视图。

图2A-2C是依次示出形成透明基板组件的步骤的截面侧视图。

图3A-3D是依次示出单体化图像传感器芯片的步骤的截面侧视图。

图4是示出装卸器组件、透明基板组件和图像传感器芯片的集成的截面侧视图。

图5是示出被集成的装卸器组件、透明基板组件和图像传感器芯片的截面侧视图。

图6A是单体化前被集成的装卸器组件、透明基板组件和图像传感器芯片的截面侧视图。

图6B是单体化后被集成的装卸器组件、透明基板组件和图像传感器芯片的截面侧视图。

图7是被集成的装卸器组件、透明基板组件和图像传感器芯片的替换实施例的截面侧视图，其中所述透明基板组件包括在它的顶表面整体形成的透镜。

具体实施方式

本发明是微电子器件、尤其是图像传感器的封装。本发明采用其部件的模块化来增加产率、降低成本并且改善合格率。对于封装设计存在三个主要部件，其利用晶片级技术形成：

1．具有预先形成的电路的装卸器组件2；

2．具有预先形成的电路的光学透明基板组件4；

3．被单体化的图像传感器芯片6。

每个部件分开制作、分开保存并且分开测试。仅已知好的部件允许用于封装的集成。

装卸器组件2的形成在图1A-1E中示出，并且从晶体装卸器10开始，所述晶体装卸器10分别包括顶和底表面12和14，如图1A中所示。通孔16被形成得在顶和底表面12和14之间延伸。可以通过利用激光、通过等离子体刻蚀工艺、通过喷砂工艺、通过机械研磨工艺、或通过任何其它类似的方法来形成通孔16。优选地，通过光刻等离子体刻蚀来形成通孔16，所述光刻等离子体刻蚀包括在装卸器10上形成光致抗蚀剂层、图案化光致抗蚀剂层以暴露装卸器10的选择部分、并且然后执行等离子体刻蚀工艺（例如BOSCH工艺，其利用SF₆和C₄F₈气体的组合）来除去装卸器10的暴露部分以形成通孔16。然后在通孔16的侧壁和装卸器10的表面12/14上沉积隔离（介电）层18。介电层18可以是氧化硅、氮化硅、环氧基、聚酰亚胺、树脂、FR4、或任何其它适合的介电材料。优选地，介电层18是至少0.1μm厚，并且利用任何常规的介电层沉积技术（其是本领域中众所周知的）形成。所得到的结构在图1B中示出。

导电材料（例如Cu,Ti/Cu,Ti/Al,Cr/Cu,Cr/Al和/或任何其它众所周知的导电材料）被形成在介电层18上，利用导电材料填充通孔16或者给通孔16加衬里。然后使用光刻步骤来除去在顶和底表面12/14的一部分上的导电材料的部分，留下导电元件或迹线20，所述导电元件或迹线20通过通孔16延伸并且终止于在顶和底表面12/14处的导电焊盘22。所得到的结构在图1C中示出。

随后腔体24被形成到装卸器10的顶表面12中。可以通过利用激光、通过等离子体刻蚀工艺、通过喷砂工艺、通过机械研磨工艺、或通过任何其它类似的方法来形成腔体24。优选地，通过执行光刻等离子体刻蚀工艺形成腔体24，所述光刻等离子体刻蚀工艺除去顶表面12上的介电层18的选择部分、以及装卸器12的暴露部分。所述等离子体刻蚀可以是各向异性的、锥形的、各向同性的、或其组合。所得到的结构在图1D中示出。

随后在装卸器10上沉积隔离（介电）层26（包括在腔体24内的表面上），之后是暴露导电焊盘22的刻蚀工艺。介电层26可以是氧化硅、氮化硅、环氧基、聚酰亚胺、树脂、FR4、或任何其它适合的介电材料，并且可以利用任何常规的介电层沉积技术（其是本领域中众所周知的）形成。SMT（表面安装）互连28随后形成在导电焊盘22上。SMT互连可以是BGA类型，并且可以利用焊料合金的丝网印刷工艺、或通过植球工艺、或通过电镀工艺形成。BGA（球栅阵列）互连是通常通过焊接或部分熔融金属球到接合焊盘上形成的、用于与对等导体形成物理和电接触的圆形导体。可替换地，SMT互连28可以是导电金属柱（例如铜）。最终的装卸器组件2结构在图1E中示出。

光学透明的基板组件4的形成在图2A-2C中示出，并且从分别具有顶和底表面32和34的光学透明基板30开始，如图2A中所示。基板30可以由多晶陶瓷（例如氧化铝陶瓷、氮氧化铝、钙钛矿（perovskyte）、多晶钇铝石榴石等）、单晶陶瓷、非晶材料（例如无机玻璃和聚合物）、玻璃陶瓷（例如硅酸盐基）等制成，并且对至少一个范围的光波长是光学透明的。隔离（介电）层36沉积在底表面34上，利用图案化光刻工艺选择性地除去其部分。介电层36可以是氧化硅、氮化硅、环氧基、聚酰亚胺、树脂、FR4、或任何其它适合的介电材料。优选地，介电层由顺应材料形成，以防止由透明基板30（例如~3到7x10^－6K^－1）和将形成在介电层36（例如~10到20x10^－6K^－1）上的电路的CTE的差引起的应力。介电层36优选是至少20μm厚，并且利用常规的介电层沉积技术（其是本领域中众所周知的）形成，之后是光刻工艺。所得到的结构在图2B中示出。

然后在底表面34上（并且在介电层36上）形成导电层。该导电层可以是Cu,Ti/Cu,Cu/Au,Ti/Cu/Au,Al/Ni/Cu和/或任何其它众所周知的导电材料。然后执行光刻步骤以选择性地除去导电层的部分，留下设置在介电层36上的导电材料的多个分立迹线38。然后通过在底表面34上（并且在迹线38上）形成导电材料来在迹线38上形成导电接触焊盘40/41，之后是光刻步骤。最后所得到的光学透明的基板组件4的结构在图2C中示出。

单体化的图像传感器芯片6的形成在图3A-3D中示出，并且从具有前表面43的晶片42开始，在所述前表面43上已经形成了多个传感器44。每个传感器包括多个光电检测器46（和支持电路）、以及接触焊盘48。光电检测器46（和支持电路）和接触焊盘48被形成在晶片42的面向上的（前）表面处，如图3A中所示。接触焊盘48被电连接到光电检测器46（和/或它们的支持电路），用于提供片外信号发送。每个光电检测器46将光能转换成电压信号。可以包括附加电路来放大电压、和/或将它转换成数字数据。滤色器和/或微透镜50可以安装在光电检测器46上。这种类型的传感器在本领域中是众所周知的，在此不再进一步描述。

切割带52安装在图像传感器晶片42的背面上。切割带52可以是由PVC、聚烯烃、聚乙烯、陶瓷或晶体衬底材料制成的任何带或载体，利用粘合剂将管芯固定在适当的位置。切割带52通常在多种厚度（例如从25到1000μm）以及多种粘合强度可用，其是针对各种芯片尺寸和材料设计的。随后执行浅划片线区域（划道）的部分切割（预切割）。部分切割包括切割划片线（即沟、沟道、槽、缝等）到晶片42的前表面43中。可以利用切割锯、激光器或刻蚀工艺来完成该切割步骤。优选地，利用具有25到50μm宽的切割刀刃的切割锯完成切割步骤，其中划片线的深度延伸不超过晶片42的厚度的30％。所得到的结构在图3B中示出。

然后临时（牺牲）保护层56被安装到晶片42的正面上，并且从晶片42的背面除去切割带52，如图3C中所示。临时保护层56可以由PVC、聚烯烃、聚乙烯、陶瓷或晶体衬底材料制成，在除去切割带后利用粘合剂将管芯固定在适当的位置。然后，优选使用晶片研磨和/或硅刻蚀工艺，从背面减薄晶片42直到已经完成管芯分离（即传感器44被分开使得每一个在它自己的管芯上）为止。然后除去保护层56，留下最后的图像传感器芯片6，如图3D中所示。然后一个一个单独地测试传感器44，使得仅已知良好的传感器芯片6被封装。可替换地，可以在传感器芯片6从保护层56被除去之前测试传感器44，其中仅已知良好的传感器芯片6从保护层56被除去并且被放在托盘中用于将来的组装。

分开形成的装卸器组件2、透明组件基板4、和图像传感器芯片6然后如图4中所示地被集成在一起，由此传感器芯片6被设置在腔体24中。特别地，图像传感器芯片6被结合到透明基板组件4使得图像传感器芯片6的接触焊盘48与透明基板组件4的导电焊盘40电接触。透明基板组件4被结合到装卸器组件2使得透明基板组件4的导电焊盘41与装卸器组件2的导电焊盘22电接触。可以首先执行图像传感器芯片6到光学透明的基板组件4的结合，之后是那些结合的部件到装卸器组件2的结合。可替换地，图像传感器芯片6可以被组装到装卸器2的腔体24里面，之后是透明基板组件4的附着。结合可以包括导电焊盘40/41和对应的导电焊盘22或对应的接触焊盘48之间的导电胶、或任何其它众所周知的金属到金属的接合技术。可以在腔体24的底表面和晶片42的后表面之间采用可选的粘合剂层。最后组装的结构在图5中示出。

优选地，多个装卸器组件2形成在单个晶体装卸器10上，并且多个透明基板组件4形成在单个透明基板30上。上述集成因此可以在装卸器10和基板30被单体化成单独的装卸器组件2和透明基板组件4之前执行、或者在之后执行。如果在单体化之前执行集成，则预单体化结构在图6A中示出，并且单体化后的结构在图6B中示出。

图5的被组装的封装结构的透明基板组件4和装卸器组件2为传感器芯片6提供保护，并且提供扇出阵列电连接。在运行过程中，传感器44通过透明基板30接收入射光。通过对应的导电焊盘40、对应的导电迹线38、对应的导电焊盘41、对应的导电迹线20、以及最后通过对应的表面安装28，由图像传感器芯片6上的接触焊盘48中的每一个提供片外导电性。为了易于制作并且确保在集成前去掉任何有缺陷的部件（即仅已知良好的部件到达最后的集成），所述三个主要部件（装卸器组件2、透明基板组件4、和图像传感器6）中的每一个被分开制作，因此增加了产率和合格率，并且降低了成本。

图7示出替换实施例，其中透明基板30的顶表面32是非平面的，使得它对于进入基板30的光充当透镜。透镜基板30和传感器44的有源表面之间的距离被固定，并且可以在组装期间通过改变介电材料层36、导电迹线38和/或导电焊盘40/41的厚度来进行优化。

应当理解，本发明不限于上面描述和此处示出的（一个或多个）实施例，而是涵盖落在所附权利要求的范围内的任何和所有变型。例如，此处对于本发明的引用并不旨在限制任何权利要求或权利要求术语的范围，而是相反仅引用可以被一个或多个权利要求覆盖的一个或多个特征。上述的材料、工艺和数值示例仅是示例性的，且不应认为限制了权利要求。而且，从权利要求和说明书显见，并不是所有方法步骤必须以示出或要求保护的确切顺序执行，而是以允许本发明的图像传感器封装的适当形成的任何顺序单独或同时执行。单层材料可以形成为这种或类似材料的多层，且反之亦然。

应当注意，如这里使用的术语“上方”和“上”均包括性地包括“直接位于…上”（没有布置于其间的中间材料、元件或空间）和“间接位于…上”（有布置于其间的中间材料、元件或空间）。同样，术语“邻近”包括“直接邻近”（没有布置于其间的中间材料、元件或空间）和“间接邻近”（有布置于其间的中间材料、元件或空间），“安装到”包括“直接安装到”（没有布置于其间的中间材料、元件或空间）和“间接安装到”（有布置于其间的中间材料、元件或空间），且“电耦合”包括“直接电耦合到”（其间没有把元件电连接在一起的中间材料或元件）和“间接电耦合到”（其间有把元件电连接在一起的中间材料或元件）。例如，“在基板上方”形成元件可以包括直接在基板上形成元件，其间没有中间材料/元件，也可以在基板上间接形成元件，其间具有一个或多个中间材料/元件。

Claims (16)

1.一种图像传感器封装，包括：

装卸器组件，所述装卸器组件包括：

具有相对的第一和第二表面的晶体装卸器，其中所述晶体装卸器包括形成到第一表面中的腔体，以及

多个导电元件，所述多个导电元件均通过所述晶体装卸器从第一表面延伸到第二表面；

设置在腔体中的传感器芯片，其中所述传感器芯片包括：

具有相对的前和后表面的第一基板，

形成在前表面处的多个光电检测器，和

形成在前表面处的多个接触焊盘，所述多个接触焊盘被电耦合到光电检测器；以及

基板组件，所述基板组件包括：

具有相对的顶和底表面的第二基板，其中所述第二基板对至少一个范围的光波长是光学透明的，和

形成在底表面上且通过形成在底表面上的顺应介电材料与第二基板绝缘的多个导电迹线，

其中第二基板被设置在腔体上并且被结合到晶体装卸器和传感器芯片使得：

接触焊盘中的每一个通过第一导电焊盘电连接到导电迹线中的至少一个，所述第一导电焊盘设置在接触焊盘和所述至少一个导电迹线之间并且电连接所述接触焊盘和所述至少一个导电迹线，并且

所述导电迹线中的每一个通过第二导电焊盘电连接到导电元件中的至少一个，所述第二导电焊盘设置在导电迹线和所述至少一个导电元件之间并且电连接所述导电迹线和所述至少一个导电元件。

2.如权利要求1所述的图像传感器封装，进一步包括：

多个表面安装互连，所述多个表面安装互连均设置在晶体装卸器的第二表面上，并且均电连接到导电元件中的一个。

3.如权利要求1所述的图像传感器封装，其中所述传感器芯片进一步包括：

安装在光电检测器上的多个滤色器和微透镜。

4.如权利要求1所述的图像传感器封装，其中第二基板的顶表面是非平面的，使得它对于进入基板的光充当透镜。

5.一种封装传感器芯片的方法，所述传感器芯片包括具有相对的前和后表面的第一基板、形成在前表面处的多个光电检测器、和形成在前表面处的多个接触焊盘，所述多个接触焊盘被电耦合到光电检测器，所述方法包括：

提供具有相对的第一和第二表面的晶体装卸器；

将腔体形成到第一表面中；

形成均通过所述晶体装卸器从第一表面延伸到第二表面的多个导电元件；

提供具有相对的顶和底表面的第二基板，其中所述第二基板对至少一个范围的光波长是光学透明的；

在底表面上形成多个导电迹线；

将传感器芯片插入腔体中；

将第二基板结合到晶体装卸器和传感器芯片使得：

第二基板被设置在腔体上，

接触焊盘中的每一个被电连接到所述导电迹线中的至少一个，并且

导电迹线中的每一个被电连接到导电元件中的至少一个。

6.如权利要求5所述的方法，其中在将传感器芯片插入腔体中之前并且在将第二基板结合到晶体装卸器之前执行第二基板到传感器芯片的结合。

7.如权利要求5所述的方法，其中在将第二基板结合到晶体装卸器和传感器芯片之前将传感器芯片插入腔体中。

8.如权利要求5所述的方法，进一步包括：

形成多个表面安装互连，所述多个表面安装互连均设置在晶体装卸器的第二表面上，并且均电连接到导电元件中的一个。

9.如权利要求5所述的方法，其中第二基板的顶表面是非平面的，使得它对于进入基板的光充当透镜。

10.如权利要求5所述的方法，进一步包括：

在第二基板的底表面上形成顺应介电材料，其中所述多个导电迹线通过所述顺应介电材料与第二基板绝缘。

11.一种形成多个图像传感器封装的方法，所述方法包括：

提供具有相对的第一和第二表面的晶体装卸器；

将多个腔体形成到第一表面中；

形成均通过所述晶体装卸器从第一表面延伸到第二表面的多个导电元件；

提供具有相对的顶和底表面的第二基板，其中所述第二基板对至少一个范围的光波长是光学透明的；

在底表面上形成多个导电迹线；

提供多个传感器芯片，其中传感器芯片中的每一个包括：

具有相对的前和后表面的第一基板，

形成在前表面处的多个光电检测器，以及

形成在前表面处的多个接触焊盘，所述多个接触焊盘电耦合到光电检测器；

将传感器芯片插入腔体中；

将第二基板结合到晶体装卸器和传感器芯片使得：

第二基板被设置在腔体上，

接触焊盘中的每一个被电连接到所述导电迹线中的至少一个，并且

导电迹线中的每一个被电连接到导电元件中的至少一个；以及

切割晶体装卸器和第二基板以形成分开的封装，所述分开的封装均包括所述腔体中的一个和所述传感器芯片中的一个。

12.如权利要求11所述的方法，其中在将传感器芯片插入腔体中之前并且在将第二基板结合到晶体装卸器之前执行第二基板到传感器芯片的结合。

13.如权利要求11所述的方法，其中在将第二基板结合到晶体装卸器和传感器芯片之前执行将传感器芯片插入腔体中。

14.如权利要求11所述的方法，进一步包括：

形成多个表面安装互连，所述多个表面安装互连均设置在晶体装卸器的第二表面上，并且均电连接到导电元件中的一个。

15.如权利要求11所述的方法，其中第二基板的顶表面是非平面的，使得它对于进入基板的光充当透镜。

16.如权利要求11所述的方法，进一步包括：

在第二基板的底表面上形成顺应介电材料，其中所述多个导电迹线通过所述顺应介电材料与第二基板绝缘。