CN103151362B - 晶圆级图像芯片封装及包含所述封装的光学结构 - Google Patents

晶圆级图像芯片封装及包含所述封装的光学结构 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种晶圆级图像芯片封装及包含所述封装的光学结构，所述光学结构包含基板、芯片、光源、阻隔件及装配件。所述芯片附着在所述基板上，并且所述芯片具有感测区。所述光源附着在所述基板上。所述阻隔件覆盖所述芯片，并且，所述阻隔件具有开孔用于至少暴露出所述芯片的所述感测区。所述装配件覆盖所述阻隔件以将所述阻隔件固定在所述基板上。

Description

晶圆级图像芯片封装及包含所述封装的光学结构
技术领域
本发明涉及适用于晶圆级封装技术的光学结构，更进一步地说，本发明涉及晶圆级封装技术中，以透明材料覆盖半导体结构的图像感测器的光学结构。
背景技术
现行的图像感测器芯片(IC)主要系将裸芯片(die)从晶圆(wafer)上切割下来后，再利用各种封装方式封装为芯片，例如以iDip、LGA或COB等封装技术进行封装。此类封装技术是本领域技术人员所熟悉的技术内容，故于此不再赘述。
利用类似上述封装技术所完成的芯片，具有共同的外型特征，即芯片外围都被黑色腔体所覆盖，亦即现今常见的芯片形式。对于图像感测器芯片而言，此特征阻隔了外界环境杂光，因此图像感测器芯片在封装完成后，可以直接适用于各种应用场合，例如使用在光学鼠标中。图像感测器芯片可以直接经由高度定位而后固定，便可用来感测桌面的反射光线，以进行光学导航操作。
然而随着半导体制作技术的演变，晶圆级封装逐渐成为成熟的技术，在晶圆级封装技术中，有以透明材料，例如玻璃或树脂(Epoxy)，覆盖在裸芯片上形成封装结构的作法；例如，“芯片等级封装(ChipScalePackage,CSP)”技术、“穿透硅通孔(Through-SiliconVia,TSV)”技术、OPLGA技术等等，皆可利用透明的玻璃或树脂覆盖在裸芯片上来进行封装。因此，这种封装芯片并没有黑色腔体结构，导致应用于图像感测器芯片时，周围的光线可能会通过透明的玻璃或树脂影响感测器的运作。
鉴于此，可知晶圆级封装技术的新型态光学与定位结构，为图像感测业界所亟需。
发明内容
本发明的目的是提出适用于晶圆级封装技术的光学结构与定位结构，特别适用于晶圆级图像芯片封装。由于晶圆级封装技术可使用透明材料，例如玻璃或树脂，来覆盖半导体电路的外层，因此完成封装后的晶圆级图像芯片封装表面并不具备黑色腔体的结构，无法有效阻挡周围光线。因此，本发明提出一种光学结构与定位结构，用于将完成晶圆封装后的芯片与光学结构和/或定位结构装配固定在基板上，例如印刷电路板(PCB)，同时阻挡或吸收其余不必要的光线。对于需要感测光线以产生图像信号的图像感测器芯片而言，可有效避免图像感测器芯片受到周围光线干扰而影响最后成像效果。
为达到上述目的，本发明提供一种晶圆级图像芯片封装，包含裸芯片、中间层及透明层。所述裸芯片具有感测面且所述感测面具有感测区。所述中间层设置于所述感测面上的所述感测区之外。所述透明层通过所述中间层结合在所述裸芯片上，其中所述透明层的至少一部分表面上形成有滤光层。
本发明还提供一种光学结构，包含基板、晶圆级图像芯片封装、光源、阻隔件及装配件。所述晶圆级图像芯片封装附着在所述基板的正面上并具有感测区。所述光源附着在所述基板的所述正面上。所述阻隔件覆盖所述晶圆级图像芯片封装，并具有开孔，该开孔用于至少暴露出所述晶圆级图像芯片封装的所述感测区。所述装配件覆盖所述阻隔件以将所述阻隔件固定于所述基板，其中所述装配件具有与所述光源相对的第一透光区以及与所述阻隔件的所述开孔相对的第二透光区。
本发明还提供一种光学鼠标的光学结构，包含基板、晶圆级图像芯片封装、光源、阻隔件及装配件。所述晶圆级图像芯片封装及所述光源附接在所述基板上。所述阻隔件覆盖所述晶圆级图像芯片封装的一部分并围绕所述光源。所述装配件覆盖所述阻隔件以将所述阻隔件固定于所述基板上。
本发明实施方式的光学结构中，所述第一透光区使所述光源所发出的光穿出所述光学结构到达反射面；所述第二透光区使所述光学结构外所述反射面的反射光穿透并经由所述阻隔件的所述开孔到达所述感测区。
本发明实施方式的光学结构中，所述晶圆级图像芯片封装具有彼此相对的感测面及背面，其中所述晶圆级图像芯片封装通过所述背面附着在所述基板的所述正面上；所述基板的所述正面上具有电路配置以耦接所述晶圆级图像芯片封装。
本发明实施方式的晶圆级图像芯片封装中，提供至少一个特定光波长的滤光层，其涂布于所述透明层和/或所述裸芯片的感测面的至少一部分表面上，以使特定波长的光线能够通过；例如，红外光及蓝光穿透滤光层(B+IR滤光层)即可使蓝光与红外光通过；红外光穿透滤光层(IR滤光层)即可使红外光通过。
本发明实施方式的晶圆级图像芯片封装中，提供至少一个反光层，包含金属成份，其涂布于所述透明层和/或所述裸芯片的感测面的至少一部分表面上，以使特定光线能被所述反光层反射，而无法进入图像芯片。
本发明实施方式的光学结构中，提供阻隔件覆盖于晶圆级图像芯片封装上，同时所述阻隔件需搭配装配件。所述装配件固定于基板上并同时直接固定阻隔件。因此当装配件固定于基板上后，所述装配件、阻隔件与晶圆级图像芯片封装便可维持稳定的相对位置，同时阻隔件可阻挡周围的杂散光线进入芯片。
本发明实施方式的光学结构中，所述晶圆级图像芯片封装可直接焊接在基板上，而后将阻隔件合于晶圆级图像芯片封装上以固定其相对位置，最后将装配件合于阻隔件上并将装配件固定于基板上；藉此，所述装配件、阻隔件与晶圆级图像芯片封装便可维持稳定的相对位置。
其他实施方式中，所述阻隔件本身亦可直接固定于所述基板，接着将装配件合于阻隔件上并固定于基板上。
附图说明
图1示出本发明实施方式的晶圆级图像芯片封装的示意图。
图2示出本发明实施方式的光学结构及应用所述光学结构的光学鼠标的示意图。
图3示出本发明实施方式的光学结构及应用所述光学结构的光学鼠标的另一示意图。
附图标记说明
1晶圆级图像芯片封装11透明层
11IS透明层的内表面11OS透明层的外表面
11SS透明层的侧面13裸芯片
131S感测面132感测区
15中间层101、111、131、151反光层
103、113、133滤光层21晶圆级图像芯片封装
22基板22S基板正面
23阻隔件232开孔
231透光孔24装配件
241第一透光区242第二透光区
25光源3壳体
30底孔S反射面
具体实施方式
为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显，下文将配合附图作详细说明。以下实施方式及附图中，与本发明无关的元件已省略而未示出，且附图中各元件间的尺寸关系仅为了容易了解，非用于限制实际比例，在此先说明。
图1示出本发明实施方式的晶圆级图像芯片封装1的示意图。晶圆级图像芯片封装1包含透明层11、裸芯片13及中间层15；其中，所述透明层11例如为玻璃层或树脂层；所述中间层15介于所述裸芯片13与所述透明层11之间而具有缓冲以及结合所述透明层11和所述裸芯片13的功能。所述裸芯片13为光感测元件，其为形成于晶圆上的半导体电路结构；所述裸芯片13具有感测面131S，且所述感测面131S具有感测区132；其中，所述感测区132可大致位于所述感测面131S的中央，但并不以此为限。所述中间层15位于所述感测面131S上的所述感测区132之外，当然优选避免遮蔽所述感测区132。所述透明层11具有内表面11IS、外表面11OS以及侧面11SS，所述内表面11IS面向所述裸芯片13，所述外表面11OS与所述内表面11IS相对。本发明实施方式中，所述透明层11和/或所述裸芯片13的感测面131S的至少一部分表面上形成有滤光层和/或反光层(详述于后)。
本实施方式中，反光层可涂布于位置101、111、131及151至少其中之一上；特定波长滤光层可涂布于位置103、113及133至少其中之一上；亦即，滤光层可形成于内表面11IS、外表面11OS及裸芯片13的感测面131S中的至少一者的至少一部分表面上，其中滤光层优选与裸芯片13的感测区132相对；反光层可形成于内表面11IS、外表面11OS、侧面11SS及裸芯片13的感测面131S中的至少一者的至少一部分表面上。由于反光层具有金属成份，例如铬或者其他金属成份，故可以有效限制光线从不具有反光层涂布的范围进入透明层11或裸芯片13。特定波长滤光层可与反光层部分重叠，并不会影响彼此的功能。本实施方式中，位置103、113及133可视为光感测元件的有效视野范围，其优选与感测区132相对。
当反光层以较高温度形成时，透明层11的材料便需要选择可以耐受高温的材料，例如玻璃，此时便不适用不具耐热特性的树脂。
特定波长滤光层用于使特定波长的光线能够通过，例如红外光及蓝光穿透滤光层(B+IR滤光层)可使蓝光与红外光通过，红外光穿透滤光层(IR滤光层)可使红外光通过。随着芯片1设计的不同，可选用不同的滤光层；举例而言，在使用蓝色光源的光学鼠标时，便可选用B+IR滤光层；而在使用不可见光的光学鼠标时，便可选用IR滤光层。
某些特定光波长滤光层为软质，则不适合涂布在晶圆级图像芯片封装1的最外层，也就是不适合涂布在位置133，以避免滤光层被破坏或者刮伤。此时，滤光层优选形成在透明层11的内表面11IS或直接涂布于裸芯片13的感测面131S。
前述滤光层与反光层可搭配光学与感测元件的设计，同时涂布在不同位置上，以促使其整体反射与吸收效果与整体设计相符合，例如可同时在位置103与113涂布滤光层。
另一实施方式中，当所要接收的光为可见光时，可利用IR滤光层来吸收阻挡可见光，此时IR滤光层便可以涂布于前一实施方式中反光层所形成的位置，亦即位置101、111、131及151中的至少一者，以作为吸收层。由于IR滤光层可吸收可见光，因此仅有未被IR滤光层所覆盖的区域可容许可见光通过，以达成有效限制可见光通过的目的。换句话说，透明层11及裸芯片13的感测面131S上形成反光层或吸收层是根据光感测元件的操作特性而决定的。
图2示出本发明实施方式的光学结构的示意图；其中，晶圆级图像芯片封装21(以下简称为芯片21)为已经完成晶圆级封装的感测芯片，可利用如图1的方式形成；亦即，芯片21包含裸芯片13及透明层11，裸芯片13及透明层11经由中间层15互相结合。图2为光学结构应用于光学鼠标的示意图，因此还包含光源25，其可发射光线，该光线穿过装配件24抵达反射面S，之后反射的光线再穿过装配件24后抵达芯片21。
详细而言，本实施方式的光学结构包含基板22、晶圆级图像芯片封装21、光源25、阻隔件23及装配件24。所述芯片21附着(attach)在所述基板22的正面22S上并具有感测区132(如图1所示)。所述光源25附着在所述基板22的所述正面22S上，并朝向远离所述正面22S的方向发光。所述阻隔件23覆盖所述芯片21的一部分，例如具有开孔232，开孔232用于至少暴露出所述芯片21的所述感测区132。所述装配件24覆盖所述阻隔件23以将所述阻隔件23固定于所述基板22；其中，所述装配件24优选具有与所述光源25相对的第一透光区241以及与所述阻隔件23的所述开孔232相对的第二透光区242。所述第一透光区241使所述光源25所发出的光穿出光学结构至所述反射面S；所述第二透光区242使光学结构外的所述反射面S的反射光穿透并经由所述阻隔件23的所述开孔232到达所述裸芯片13的所述感测区132。
本实施方式的光学结构通常设置于壳体3内，例如鼠标壳体，壳体3可置放于反射面S供使用者操控且壳体3具有底孔30。光源25发出的光经过第一透光区241和底孔30照明反射面S。反射面S的反射光(包含杂散光)再度通过底孔30并穿过第二透光区242及开孔232到达芯片21的感测区132。
本实施方式中，芯片21的大部份面积受到阻隔件23覆盖，故光线仅能通过阻隔件23在芯片21上方的部分开孔232抵达芯片21，以阻挡不必要的光线进入芯片21。一种实施方式中，阻隔件23也可环绕光源25而设置，以避免光源25所发出的光在壳体3内四处散射；此时，阻隔件23还可具有透光孔231供光源25所发出的光射出阻隔件23。阻隔件23的形状配合芯片21与光源25而设计，同时能够与装配件24紧密结合。当装配件24被固定于基板22时，即可使阻隔件23、芯片21及光源25维持稳定的相对位置。可以了解的是，若阻隔件23能够良好遮蔽芯片21，阻隔件23亦可不围绕光源25。
本发明实施方式中，装配件24可通过悬臂梁的结构扣合在基板22上，因此基板22需要预先镂空孔洞，以使悬臂梁能够穿过孔洞扣合，孔洞的尺寸需可容纳悬臂梁穿过，但无须紧密贴合悬臂梁。进一步来说，若以芯片21朝下的平面代表水平面，藉由阻隔件23与芯片21的接合，能够使阻隔件与芯片21维持稳定的水平相对位置，而装配件24固定于基板22之后，由于阻隔件23能够与装配件24紧密结合，因此装配件24、阻隔件23与芯片21在垂直于水平面的垂直面上，也能够维持稳定的垂直相对位置。
由图2可知，装配件24在阻隔件23的部分开孔232处(即第二透光区242)及光源25前方(即第一透光区241)设置有导光结构。本实施方式中，光源25前方的导光结构主要使光源25所发射的光线能够弯折而朝向反射面S，而在芯片21前端的导光结构主要汇聚来自反射面S的反射光线；亦即，第一透光区241及第二透光区242例如可为透镜结构。可以了解的是，图2中所示出的光行进方向仅为例示性。
图2中为了示出各构成元件彼此间的关系，以类似爆炸图的方式呈现，实际上装配件24与阻隔件23和/或阻隔件23与芯片21设计为可互相紧密贴合，以使阻隔件23与芯片21通过装配件24能保持固定的相对位置(如图3)；其中，芯片21可通过焊球或凸块方式连接基板22。另外，阻隔件23可选用不透光的有色材料制成，例如黑色阻隔件。
前述实施方式中的基板22可为印刷电路板等硬质的基板，用于结合并固定装配件24，同时基板22的正面22S上具有电路布局，以便与芯片21电性连结。另外，装配件24能够藉由其他结合方式与基板22结合，例如以螺丝锁住装配件24与基板22，以便维持各元件间稳定的相对位置。其他实施方式中，阻隔件23本身也可直接固定于基板22，接着将装配件24合于阻隔件23上并固定于基板22。
综上所述，本发明的光学结构可将晶圆级图像芯片封装定位在预设位置，同时在图像感测应用技术的应用场合中，可以阻挡或者吸收图像感测元件周围的光线，使图像感测系统顺利运作。如此一来，本发明的光学与定位结构输入装置便可适用于晶圆级封装的芯片。
虽然本发明已以前述实施方式公开，然其并非用于限定本发明，任何本发明所属技术领域中的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种变动与修改。因此本发明的保护范围当视所附的权利要求书所界定的为准。

Claims (11)

1.一种光学结构，该光学结构包含：
基板，具有正面及镂空孔洞；
晶圆级图像芯片封装，附着在所述基板的所述正面上并具有感测区；
光源，附着在所述基板的所述正面上；
阻隔件，覆盖所述晶圆级图像芯片封装，并具有开孔，该开孔用于至少暴露出所述晶圆级图像芯片封装的所述感测区；以及
装配件，覆盖所述阻隔件并通过悬臂梁结构扣合在所述基板的所述镂空孔洞以将所述阻隔件固定在所述基板上，其中所述装配件具有与所述光源相对的第一透光区以及与所述阻隔件的所述开孔相对的第二透光区。
2.根据权利要求1所述的光学结构，其中所述光学结构应用于光学鼠标。
3.根据权利要求1所述的光学结构，其中所述第一透光区及所述第二透光区为透镜结构。
4.根据权利要求1所述的光学结构，其中所述阻隔件用不透光材料制成。
5.根据权利要求1所述的光学结构，其中所述晶圆级图像芯片封装包含裸芯片和透明层，所述裸芯片和所述透明层经由中间层相结合，所述透明层的至少一部分表面上形成有与所述感测区相对的滤光层。
6.根据权利要求5所述的光学结构，其中所述透明层具有内表面和外表面，该内表面面向所述裸芯片，所述外表面与所述内表面相对，所述滤光层形成于所述内表面和所述外表面中的至少一者上。
7.根据权利要求5所述的光学结构，其中所述裸芯片的感测面上还形成有与所述感测区相对的滤光层。
8.根据权利要求5到7中任意一项权利要求所述的光学结构，其中所述滤光层为红外光穿透滤光层或红外光及蓝光穿透滤光层。
9.一种光学鼠标的光学结构，该光学结构包含：
基板，具有镂空孔洞；
晶圆级图像芯片封装，附着在所述基板上；
光源，附着在所述基板上；
阻隔件，覆盖所述晶圆级图像芯片封装的一部分并围绕所述光源；以及
装配件，覆盖所述阻隔件并通过悬臂梁结构扣合在所述基板的所述镂空孔洞以将所述阻隔件固定在所述基板上。
10.根据权利要求9所述的光学结构，其中所述晶圆级图像芯片封装包含裸芯片和透明层，所述裸芯片和所述透明层经由中间层相结合，所述透明层和/或所述裸芯片的至少一部分表面上形成有滤光层。
11.根据权利要求10所述的光学结构，其中所述透明层和/或所述裸芯片的感测面的至少一部分表面上形成有反光层。
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