CN103681719A - 一种可见光器件圆片级封装结构和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可见光圆片级封装结构和方法，所述方法至少包括步骤：提供透明封装基板，在所述透明封装基板表面键合硅晶圆，所述硅晶圆中制造有暴露所述透明封装基板的腔体；在所述腔体中四周的底部和侧壁表面、以及硅晶圆的背面制备互连结构；采用凸点技术将所述可见光器件倒装焊接在所述腔体底部的互连结构上；在所述硅晶圆背面的互连结构上形成外凸点；最后进行划片形成独立的封装器件。本发明的封装方法采用两次倒装焊的技术，实现可见光器件芯片到晶圆的圆片级封装，避免了不同的可见光器件由于衬底材料、制造工艺、使用限制等因素带来的技术困难。

Description

一种可见光器件圆片级封装结构和方法

技术领域

本发明涉及光学器件封装领域，特别是涉及一种可见光器件圆片级封装结构和方法。

背景技术

光电器件广泛应用与国民经济的各个领域，例如遥感、光谱仪、图像传感等，其发展前景十分广阔，用于可见光波段的光电器件是其重要的组成部分。

该类器件在封装时要求形成必需的光通路，以便形成可见光与器件之间的耦合。这就要求器件的有源面向上进行封装，满足这种要求的方法为引线键合和垂直通孔互连。

引线键合（wire bonding）技术是最常见的互连方式之一，发展的最为成熟，其特点是工艺简单、成本低。但是其缺点也显而易见，例如互连密度低、可靠性相对较低、封装效率低等。

垂直通孔互连（Through-substrate via interconnection）技术是圆片级封装中实现圆片级芯片尺寸封装的可靠选择之一，在各类器件中作为先进的封装技术已经得到了广泛的应用。这种电互连较传统的互连方式如引线键合的优点在于电连接距离短，互连密度高，寄生、串扰等效应小，此外还可实现器件的三维立体封装。

如图1所示，为采用引线键合方式进行封装的可见光器件，可见光器件04ˊ通过引线09ˊ与封装基板08ˊ进行互连，使有源面向上。如图2所示，为采用垂直通孔互连方式进行封装的可见光器件，可见光器件04〞先与载片08〞进行键合，再通过垂直通孔09〞实现互连，该方式能够实现圆片级封装。尽管这两种方式各有自己的特点，其缺点也很明显，第一种利用引线键合的可见光器件的封装结构虽然成熟简单、成品率高，但是存在互连密度低、I/O数目有限、封装体积较大等问题；第二种采用垂直通孔互连的可见光封装结构具有互连密度高、体积小等优势，但是其制造工艺复杂、成本高，这两种封装结构各自的缺点极大限制了它们的应用。

因此，提供一种新型的可见光器件圆片级封装结构和方法是本领域技术人员需要解决的课题。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种可见光器件圆片级封装结构和方法，用于解决现有技术中引线键合和垂直通孔互连方式中互连密度、工艺难度、集成度、成本等因素的平衡的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种可见光器件圆片级封装方法，所述可见光器件圆片级封装方法至少包括步骤：

1）提供透明封装基板，在所述透明封装基板上键合硅晶圆，所述硅晶圆中制造有暴露所述透明封装基板的腔体；

2）在所述腔体中四周的底部和侧壁表面、以及硅晶圆的背面制备互连结构；

3）采用凸点技术将所述可见光器件倒装焊接在所述腔体底部的互连结构上；

4）在所述硅晶圆背面的互连结构上形成外凸点；

5）最后进行划片形成独立的封装器件。

优选地，所述透明封装基板为玻璃。

优选地，所述腔体的底部尺寸小于腔体的开口尺寸。

优选地，所述硅晶圆的厚度范围为450～750μm。

优选地，所述步骤1）中采用直接键合或间接键合的方法将所述透明封装基板和硅晶圆进行键合。

优选地，所述步骤1）还包括对所述透明封装基板进行光学处理的步骤。

优选地，所述步骤1）中采用湿法腐蚀工艺在所述硅晶圆中开设腔体。

优选地，所述步骤2）中采用薄膜、光刻、电镀和腐蚀工艺形成互连结构。

优选地，所述步骤3）中所述凸点技术为激光植球法或电镀法。

优选地，所述步骤1）中凸点的熔点温度范围为210～230℃；所述步骤4）中外凸点的熔点温度范围为183～210℃。

本发明还提供一种可见光器件圆片级封装结构，所述封装结构至少包括：

透明封装基板；

硅晶圆，键合在所述透明封装基板上；

腔体，制造在所述硅晶圆中，所述腔体暴露出所述透明封装基板；

互连结构，制造并结合于所述腔体中四周的底部和侧壁表面、以及硅晶圆的背面；

可见光器件，通过凸点技术倒装焊接在所述腔体底部的互连结构上；

外凸点，形成于在所述硅晶圆背面的互连结构上。

优选地，所述腔体的底部尺寸小于腔体的开口尺寸。

优选地，所述硅晶圆的厚度范围为450～750μm。

如上所述，本发明的可见光器件圆片级封装结构和方法，包括步骤：提供透明封装基板，在所述透明封装基板表面键合硅晶圆，所述硅晶圆中制造有暴露所述透明封装基板的腔体；在所述腔体中两四侧的底部和侧壁表面、以及硅晶圆的背面制备互连结构；采用凸点技术将所述可见光器件倒装焊接在所述腔体底部的互连结构上；在所述硅晶圆背面的互连结构上形成外凸点；最后进行划片形成独立的封装器件。本发明的的可见光器件圆片级封方法是在圆片级工艺和倒装焊技术的基础上实现了可见光芯片的可靠封装。本发明中提出的封装工艺及其形成的结构避开对可见光芯片的直接操作形成了芯片到晶圆的晶圆级封装，有效的保护的可见光芯片。

附图说明

图1是现有技术中采用引线键合方式实现的可见光器件的封装结构；

图2是现有技术中采用垂直通孔互连方式实现的可见光器件的封装结构；

图3A是本发明的可见光器件圆片级封装方法步骤1）中透明封装基板与硅晶圆键合后呈现的结构示意图。

图3B是本发明的可见光器件圆片级封装方法步骤1）中在硅晶圆中开设腔体后呈现的结构示意图。

图3C是本发明的可见光器件圆片级封装方法步骤2）中制备互连结构后呈现的结构示意图。

图3D是本发明的可见光器件圆片级封装方法步骤4）中倒装焊接可见光器件后呈现的结构示意图。

图3E是本发明的可见光器件圆片级封装方法步骤5）中形成外凸点后呈现的结构示意图。

元件标号说明

S1～S5                 步骤

01                     透明封装基板

02                     硅晶圆

03                     互连结构

04、04ˊ、04〞         可见光器件

05                     内凸点

06                     外凸点

07                 腔体

08ˊ               引线键合基板

09ˊ               引线

09〞               垂直通孔

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅附图3A至3E。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

本发明提供一种可见光器件圆片级封装方法，所述可见光器件圆片级封装方法至少包括以下步骤：

S1，提供透明封装基板，在所述透明封装基板上键合硅晶圆，所述硅晶圆中制造有暴露所述透明封装基板的腔体；

S2，在所述腔体中四周的底部和侧壁表面、以及硅晶圆的背面制备互连结构；

S3，采用凸点技术将所述可见光器件倒装焊接在所述腔体底部的互连结构上；

S4，在所述硅晶圆背面的互连结构上形成外凸点；

S5，最后进行划片形成独立的封装器件。

下面结合附图详细描述本发明提供的可见光圆片级封装方法。

首先执行步骤S1，提供透明封装基板，在所述透明封装基板上键合硅晶圆，所述硅晶圆中制造有暴露所述透明封装基板的腔体。

如图3A显示为晶圆键合工艺示意图，即将所述透明封装基板01和相应的硅晶圆02进行晶圆键合。所述透明封装基板01可以优选为玻璃，但并不限于此。该透明封装基板01起到透光、防止外界污染和免遭机械损伤的作用；同时也为随后的工艺提供机械支撑。优选地，在键合之前，对所述透明封装基板01进行必要的光学处理，例如，抗反射、增透等，以增强所述透明封装基板01的光学透光性。

键合的方式可以是直接键合，例如，硅/玻璃键合；也可以是间接键合，例如，利用BCB作为中间粘结剂。本实施例中，采用间接键合的方式进行所述透明封装基板01和硅晶圆02的键合，具体为：采用具有良好透光性的BCB（苯丙环丁烯）材料作为粘结剂（未予以图示）键合；粘结剂涂敷在硅晶圆02与透明封装基板01之间；粘结剂的厚度可优选为3μm，在键合机中键合，并采用热固化，固化温度可优选为200℃。所述BCB键合为低温的粘结剂键合。

其中，所述硅基板02的厚度可依据待封装的可见光器件的厚度确定。本实施例中，所述硅基板02的厚度范围可选为450～750μm。

进一步地，进行键合工艺后可对硅晶圆02进行减薄，以达到上述需要的厚度，具体地，先采用机械减薄（研磨）设备从硅晶圆02的背面将硅晶圆02快速减薄，然后再对减薄后的硅晶圆02采用化学机械抛光处理，使该硅晶圆02的背面表面平整。

请参阅图3B，该图为在硅晶圆02中开设腔体07的示意图。在所述硅晶圆02中开设形成腔体07的工艺包括但不限于湿法腐蚀工艺。本实施例中，采用湿法腐蚀的方法形成腔体07，具体地，采用KOH作为各向异性腐蚀液，对所述硅晶圆02进行腐蚀，腐蚀的时间可以在2～24小时范围内，最后腐蚀穿整个硅晶圆02，露出所述透明封装基板01的背面，形成底部尺寸小于开口尺寸的腔体07，所述腔体07侧壁呈斜坡状。需要说明的是，腔体07的大小可由待封装可见光器件的大小确定，即，待封装可见光器件的尺寸越大，则加大腐蚀掩膜尺寸或者加长硅晶圆02的腐蚀时间使形成的腔体07的尺寸越大；反之则反。

然后执行步骤S2，在所述腔体中四周的底部和侧壁表面、以及硅晶圆的背面制备互连结构。

请参阅图3C，为互连结构金属化工艺示意图。例如，采用米博、光刻、电镀、腐蚀等工艺形成所述互连结构03，即采用物理气相沉积、光刻、电镀、金属腐蚀等一系列工艺形成所述互连结构03。具体地，采用物理气相沉积先沉积一层种子层金属TiW/Cu，然后进行光刻形成需要的图形、再进行Cu电镀使所需图形区域的金属加厚、最后进行金属腐蚀去除不需要的种子层金属等一系列工艺实现互连结构03的制备。所述互连结构03由腔体07底部到顶部引出，形成的互连结构07又称互连爬坡线。

所述互连结构07可以是单层或多层金属。所述单层或多层金属可以为TiW/Cu/Cu、Ti/CuTiW/Au、Cr/Au、Ni/Cu等等。

接着执行步骤S3，采用凸点技术将所述可见光器件倒装焊接在所述腔体底部的互连结构上。

再请参阅图3D，。通过凸点技术在所述可见光器件上制作有内凸点05，所述内凸点05的熔点温度可以在210～230℃范围内。

所述内凸点05可以是铟凸点或锡银铜凸点等。本实施例中，所述内凸点05优选为锡银铜凸点。形成的内凸点05包括但不限于球形，其直径范围可为80～150μm。本实施例中，所述内凸点05为球形，直径为100μm。

将待封装的可见光器件04通过倒装焊的方法实现与腔体07底部制作的互连结构03之间的电互连。所述可见光器件04的接受/发射光线面朝上。所述凸点可以采用多种实现方式，例如，电镀法或激光植球法等，但并不限于此。通过倒装焊实现互连、提供光通路。

进一步地，所述可见光器件04可以是图形传感器芯片，但并不限于此。

再执行步骤S4，在所述硅晶圆背面的互连结构上形成外凸点。

如图3E所示，形成外凸点06的方法可以是激光植球法或电镀法，当然，也可以是其他合适的形成方式。形成的第二凸点06具有较低的熔点温度，以保证内凸点和外凸点06的可靠性。所述外凸点06的熔点温度可以在183～210℃范围内。本实施例中，所述外凸点06的熔点温度暂选为205℃。在其他实施例中，也可以为183℃、200℃或210℃等。

所述外凸点06可以是铟凸点或锡银铜凸点等。本实施例中，所述外凸点06优选为铟凸点。形成的外凸点06包括但不限于球形，其直径范围可为50～500μm。本实施例中，所述外凸点06为球形，直径为250μm。

外凸点06制作在硅晶圆02的背面，通过外凸点06可以将可见光器件04与外界连通。

最后执行步骤S6，进行划片形成独立的封装器件，至此整个圆片完成圆片级芯片尺寸封装。

本发明还提供一种可见光器件圆片级封装结构，如图3F所示，所述封装结构至少包括：透明封装基板01、硅晶圆02、腔体07、互连结构03、可见光器件04、以及外凸点06。

所述透明封装基板01可以优选为玻璃，但并不限于此。该透明封装基板01起到透光、防止外界污染和免遭机械损伤的作用；同时也为随后的工艺提供机械支撑。

所述硅晶圆02键合在所述透明封装基板01上；所述硅基板02的厚度可依据待封装的可见光器件的厚度确定。本实施例中，所述硅基板02的厚度范围可选为450～750μm。

所述腔体07制造在所述硅晶圆02中，所述腔体07暴露出所述透明封装基板01；所述腔体07底部尺寸小于开口尺寸，所述腔体07侧壁呈斜坡状。需要说明的是，腔体07的大小可由待封装可见光器件04的大小确定，即，待封装可见光器件04的尺寸越大，则加大腐蚀掩膜尺寸或者加长硅晶圆02的腐蚀时间使形成的腔体07的尺寸越大；反之则反。

所述互连结构03结合于所述腔体07中四周的底部和侧壁表面、以及硅晶圆02的背面；所述互连结构03可以是单层或多层金属。所述单层或多层金属为TiW/Cu/Cu、Ti/Cu TiW/Au等等。

所述可见光器件04通过凸点技术倒装焊接在所述腔体07底部的互连结构上，具体地，所述可见光器件04通过其表面的内凸点05倒装焊接在所述腔体07底部的互连结构上。所述可见光器件04的接受/发射光线面朝上。

所述外凸点06形成于在所述硅晶圆02背面的互连结构上。形成的外凸点06包括但不限于球形，其直径范围可为50～500μm。本实施例中，所述外凸点06为球形，直径为250μm。

综上所述，本发明提供一种可见光器件圆片级封装结构和方法，包括步骤：提供透明封装基板，在所述透明封装基板上键合硅晶圆，所述硅晶圆中制造有暴露所述透明封装基板的腔体；在所述腔体中四周的底部和侧壁表面、以及硅晶圆的背面制备互连结构；通过凸点技术将所述可见光器件倒装焊接在所述腔体底部的互连结构上；在所述硅晶圆背面的互连结构上采用倒装焊形成外凸点；最后进行划片形成独立的封装器件。本发明的的可见光器件圆片级封方法是在圆片级工艺和倒装焊技术的基础上实现了可见光芯片的可靠封装。本发明中提出的封装工艺及其形成的结构避开对可见光芯片的直接操作形成了芯片到晶圆的晶圆级封装，有效的保护的可见光芯片。

所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (13)

1.一种可见光器件圆片级封装方法，其特征在于，所述可见光器件圆片级封装方法至少包括步骤：

1）提供透明封装基板，在所述透明封装基板上键合硅晶圆，所述硅晶圆中制造有暴露所述透明封装基板的腔体；

2）在所述腔体中四周的底部和侧壁表面、以及硅晶圆的背面制备互连结构；

3）采用凸点技术将所述可见光器件倒装焊接在所述腔体底部的互连结构上；

4）在所述硅晶圆背面的互连结构上形成外凸点；

5）最后进行划片形成独立的封装器件。

2.根据权利要求1所述的可见光器件圆片级封装方法，其特征在于：所述透明封装基板为玻璃。

3.根据权利要求1所述的可见光器件圆片级封装方法，其特征在于：所述腔体的底部尺寸小于腔体的开口尺寸。

4.根据权利要求1所述的可见光器件圆片级封装方法，其特征在于：所述硅晶圆的厚度范围为450～750μm。

5.根据权利要求1所述的可见光器件圆片级封装方法，其特征在于：所述步骤1）中采用直接键合或间接键合的方法将所述透明封装基板和硅晶圆进行键合。

6.根据权利要求1所述的可见光器件圆片级封装方法，其特征在于：所述步骤1）还包括对所述透明封装基板进行光学处理的步骤。

7.根据权利要求1所述的可见光器件圆片级封装方法，其特征在于：所述步骤1）中采用湿法腐蚀工艺在所述硅晶圆中形成腔体。

8.根据权利要求1所述的可见光器件圆片级封装方法，其特征在于：所述步骤2）中采用薄膜、光刻、电镀和腐蚀工艺形成互连结构。

9.根据权利要求1所述的可见光器件圆片级封装方法，其特征在于：所述步骤3）中所述凸点技术为激光植球法或电镀法。

10.根据权利要求1所述的可见光器件圆片级封装方法，其特征在于：所述步骤3）中凸点的熔点温度范围为210～230℃；所述步骤4）中外凸点的熔点温度范围为183～210℃。

11.一种可见光器件圆片级封装结构，所述封装结构至少包括：

透明封装基板；

硅晶圆，键合在所述透明封装基板上；

腔体，制造在所述硅晶圆中，所述腔体暴露出所述透明封装基板；

互连结构，制造并结合于所述腔体中四周的底部和侧壁表面、以及硅晶圆的背面；

可见光器件，通过凸点技术倒装焊接在所述腔体底部的互连结构上；

外凸点，形成于在所述硅晶圆背面的互连结构上。

12.根据权利要求11所述的可见光器件圆片级封装结构，其特征在于：所述腔体的底部尺寸小于腔体的开口尺寸。

13.根据权利要求11所述的可见光器件圆片级封装方法，其特征在于：所述硅晶圆的厚度范围为450～750μm。

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