CN104051490B - 无封盖传感器模块及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无封盖传感器模块及其制造方法。一种传感器封装包括主衬底组件，所述主衬底组件包括第一衬底、第一衬底中的电路层，以及电耦合至电路层的第一接触垫。传感器芯片包括具有相对的第一和第二表面的第二衬底、形成在第二衬底的第一表面之上或之下的一个或多个传感器、形成在第二衬底的第一表面处并且电耦合至一个或多个传感器的多个第二接触垫、每一个都被形成到第二衬底的第二表面中并且贯穿第二衬底到第二接触垫中的一个的多个孔洞、以及每一个都从第二接触垫中的一个贯穿多个孔洞中的一个，并且沿着第二衬底的第二表面延伸的导电引线。多个电连接器的每一个都将第一接触垫中的一个与导电引线中的一个电连接。

Description

无封盖传感器模块及其制造方法

相关申请

本申请要求2013年3月12日提交的美国临时申请号61/778244的权益，并且通过引用将其结合到本文中。

技术领域

本发明涉及一种微电子器件的封装，并且更具体地涉及一种光学或化学半导体器件的封装。

背景技术

半导体器件的趋势是封装在更小封装(其保护芯片，同时提供了离片信令连通性)中的更小的集成电路(IC)器件(也称作芯片)。一个示例是图像传感器，其是包括了将入射光转变成电信号(其以良好的空间分辨率精确地反映了入射光的强度和色彩信息)的光电探测器的IC器件。

在用于图像传感器的晶片级封装解决方案的研发背后存在不同的驱动力。例如，减小的形状因子(即，为了实现最高能力/体积比而增加的密度)克服了空间限制并且能够实现更小的照相机模块解决方案。增加的电学性能可以利用更短的互连长度来实现，这提高了电学性能并且因此提高了器件速度，并且这强烈降低了芯片功耗。

当前，板上芯片(COB-其中裸芯片被直接安装在印刷电路板上)和壳箱(Shellcase)晶片级CSP(其中晶片被层叠在两个玻璃薄片之间)是用于构建图像传感器模块的主要封装和组装工艺(例如用于移动设备照相机、光学鼠标等等)。然而，在使用更高分辨率像素图像传感器时，由于组装限制、尺寸限制(对于更小轮廓器件的需求)、产量问题和光学性能上所需的改进，COB和壳箱WLCSP组装变得越来越困难。

需要改进的封装和封装技术，其提供了具有改进性能的小轮廓封装解决方案。

发明内容

一种图像传感器封装，包括主衬底组件和传感器芯片。主衬底组件包括第一衬底、第一衬底中的一个或多个电路层、以及电耦合至一个或多个电路层的多个第一接触垫。传感器芯片包括具有相对的第一和第二表面的第二衬底、形成在第二衬底的第一表面之上或之下的一个或多个传感器、形成在第二衬底的第一表面处并且被电耦合至一个或多个传感器的多个第二接触垫、每一个都被形成到第二衬底的第二表面中并且贯穿第二衬底延伸至第二接触垫中的一个的多个孔洞、以及每一个都从第二接触垫中的一个贯穿多个孔洞中的一个并且沿着第二衬底的第二表面延伸的导电引线。多个电连接器的每一个都将第一接触垫中的一个与导电引线中的一个电连接。

一种形成传感器封装的方法，包括：提供包括一个或多个电路层的第一衬底，以及电耦合至一个或多个电路层的多个第一接触垫；提供传感器芯片，该传感器芯片包括具有相对的第一和第二表面的第二衬底、在第二衬底之上或之下的一个或多个传感器、以及形成在第二衬底的第一表面处并且被电耦合至一个或多个传感器的多个第二接触垫；将多个孔洞形成到第二衬底的第二表面中，其中多个孔洞中的每一个贯穿第二衬底并延伸至第二接触垫中的一个；形成多个导电引线，每一个都从第二接触垫中的一个贯穿多个孔洞中的一个并且沿着第二衬底的第二表面延伸；以及形成多个电连接器，每一个都将第一接触垫中的一个与导电引线中的一个电连接。

通过回顾说明书、权利要求书和附图，本发明的其他目的和特征将变得清楚。

附图说明

图1A至图1H是按顺序示出了形成传感器组件中的步骤的横截面侧视图。

图2是示出了传感器组件的替代实施例的横截面侧视图。

图3A至图3D是示出了间隔件衬底中开口的不同配置结构的顶视图。

具体实施方式

本发明涉及一种传感器器件，并且更具体地涉及形成无封盖芯片级封装。传感器的有效区域可以被暴露于环境以用于探测诸如气体或化学物的物理物质，或者可以被集成在透镜模块结构内部，其中仅探测光子而没有与保护性封盖相关联的扭曲或光子损失。

图1A至图1H图示出了封装图像传感器的形成，尽管本发明不限于图像传感器。该形成开始于包含了形成于其上的多个图像传感器12的晶片10(衬底)，如图1A所图示的。每个图像传感器12包括有效区域，其具有多个光电探测器14、以及支持电路16和接触垫18。接触垫18被电连接至光电探测器14和/或它们的支持电路16以用于提供离片信令。每个光电探测器14将光能转换为电压信号。可以包括额外的电路以放大电压，和/或将电压转换为数字数据。色彩滤光器和/或微透镜20可以被安装在光电探测器14之上。该类型的传感器是本领域熟知的，并且在此不进一步描述。

通过从间隔件衬底22开始来形成保护器组件21，该间隔件衬底可以是玻璃或任何其他刚性材料。玻璃是用于间隔件衬底22的优选材料。在25至1500μm的范围内的玻璃厚度是优选的。将传感器区域窗口开口24在将与传感器12的有效区域相对应(即布置在其之上)的位置处形成在间隔件衬底22中。可以通过激光、喷砂、蚀刻或任何其他合适的空腔形成方法来形成开口24。间隔件材料的可选层26可以被沉积在间隔件衬底22上。该沉积可以发生在开口24的形成之前，使得对应开口也被形成在间隔件层26中。然而，间隔件材料26中开口24的尺寸可以不同于间隔件衬底22中的那些开口尺寸(例如，间隔件材料26中开口24的尺寸可以比衬底22中的那些更大或更小)。间隔件层材料26可以是聚合物、环氧树脂或任何其他合适的材料，其可以通过滚筒、喷涂、丝网印刷或任何其他合适的方法来沉积。在5至500μm的范围内的厚度对于间隔件层26而言是优选的。保护带或类似的层28被布置/安装在间隔件衬底22之上，这在衬底22和材料26中的开口24处形成了空腔30。空腔30的高度优选地在5至500μm的范围内。得到的保护器组件21的结构在图1B中被示出。

将保护性结构组件21通过接合材料安装/接合至衬底10的有效侧。例如，可以通过滚筒来沉积环氧树脂，并且随后可以使用加热固化或任何其他合适的接合方法。保护性结构组件21单独地密封了用于每个传感器12的有效区域，但是空腔30优选地并未延伸至接触垫18。随后执行硅薄化以减小衬底10的厚度。可以通过机械研磨、化学机械抛光(CMP)、湿法蚀刻、大气下游等离子(ADP)、干法化学蚀刻(DCE)、前述工艺的组合或任何其他合适的一种或多种硅薄化方法来完成硅薄化。薄化的硅的厚度优选地在100至2000μm的范围内。得到的结构在图1C中被示出。

孔洞32随后被形成在衬底10的底表面中，并且贯穿衬底10以暴露接触垫18(其中间隔件材料26在孔洞形成工艺期间为接触垫18提供机械支撑)。可以通过激光、干法蚀刻、湿法蚀刻或本领域熟知的任何其他合适的一种或多种孔洞形成方法来制造孔洞32。优选地，使用激光来形成孔洞32。优选地，接触垫18处的孔洞32的宽度不大于接触垫18，使得接触垫18周围没有暴露硅。在衬底10的底表面处孔洞32的开口优选地大于在接触垫18处的其宽度，由此孔洞32具有在接触垫18处结束并且暴露接触垫18的漏斗形状。替代地，孔洞32可以具有垂直侧壁。随后沿着孔洞32的侧壁以及衬底10的底表面(但是并未在接触垫18之上)来形成绝缘层34。可以通过在衬底10的非有效侧之上沉积诸如二氧化硅或氮化硅的绝缘材料的层来形成层34。非限定性示例可以包括通过PECVD或任何其他合适的一种或多种沉积方法形成的具有至少0.5μm厚度的二氧化硅。使用光刻工艺来移除孔洞32中接触垫18之上的层34的部分。具体地，通过喷涂或任何其他合适的一种或多种沉积方法来在晶片的非有效侧之上沉积光致抗蚀剂的层。使用本领域熟知的合适的光刻工艺来曝光并且蚀刻光致抗蚀剂以移除接触垫18之上的光致抗蚀剂。随后可以通过例如等离子蚀刻来选择性移除接触垫18之上的绝缘层34的被暴露部分。随后可以通过干法等离子蚀刻或本领域熟知的任何其他化学/湿法光致抗蚀剂剥离方法来移除光致抗蚀剂。得到的结构在图1D中被示出。

导电材料的层被沉积在绝缘层34之上。导电材料可以是铜、铝、导电聚合物或任何其他合适的一种或多种导电材料。可以通过物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、电镀或任何其他合适的一种或多种沉积方法来沉积导电材料。优选地，导电材料层是通过物理气相沉积(PVD)所沉积的钛的第一层和铜的第二层。随后通过光刻工艺来图案化导电层(即，在导电层之上沉积光致抗蚀剂36并且对其进行曝光和选择性蚀刻以仅保留在孔洞32和与孔洞32相邻的所选择的部分中，之后进行导电材料蚀刻以移除导电层的被暴露部分)。保留的是导电材料的电迹线38，每一个都从接触垫18中的一个、沿着接触垫所在的孔洞的侧壁、并且在衬底10的底表面之上延伸，如图1E中所图示的。

可以使用干法等离子蚀刻或本领域熟知的任何其他化学/湿法光致抗蚀剂剥离方法来剥离光致抗蚀剂36。可选地，可以对引线38(例如Ni/Pd/Au)执行镀覆工艺。可以在衬底10的底表面之上以及孔洞32中形成可选的密封剂层40(其覆盖了引线38)。密封剂层40可以是聚酰亚胺、陶瓷、聚合物、聚合物合成物、聚对二甲苯、二氧化硅、环氧树脂、硅树脂、瓷料、玻璃、树脂和前述材料的组合或任何其他合适的一种或多种介电材料。密封剂层40在厚度上优选地为1至3μm，并且优选的材料是液态光可成像的(photoimagable)聚合物，诸如可以通过喷涂来沉积的焊料掩模。可选地，可以用密封材料来填充孔洞32。随后使用光刻工艺来图案化密封剂层40以选择性地移除层40的部分来限定接触垫42(即，引线38的被暴露部分)。得到的结构在图1F中被示出。

接着在接触垫42上形成互连44。互连44可以是球状栅格阵列(BGA)、触点栅格阵列(LGA)、导电凸块、铜柱或任何其他合适的互连结构。球状栅格阵列是互连的优选方法之一，并且可以通过后面是回流工艺的丝网印刷来沉积互连44。随后切片/单切该结构以形成每一个都具有传感器12之一的单独管芯。可以利用机械刀片切片设备、激光切割或任何其他合适的工艺来完成部件的晶片级切片/单切。得到的结构在图1G中被示出。

可以使用互连44将图1G中的结构安装至主衬底46。主衬底46可以是有机柔性PCB、FR4PCB、硅(刚性)、玻璃、陶瓷或可适用的任何其他类型衬底。主衬底46包括电连接至一个或多个电路层50的接触垫48。每一个互连44通过使用本领域熟知的表面安装技术(SMT)(可以包括拾取和放置设备)来将接触垫42中的一个与接触垫48中的一个电连接。随后移除保护带28。透镜模块52可以被安装至主衬底46(即，在传感器12之上)，其中图1H中图示了得到的结构。示例性透镜模块52可以包括接合至主衬底46的外壳54，其中外壳54在传感器12之上支撑了一个或多个透镜56。利用此最终结构，图像传感器12通过互连44被固定至主衬底46，并且透镜模块52也被固定至主衬底46，其中透镜模块52将入射光直接聚焦至光电探测器14上而没有可能扭曲所述光或引起光子损失的任何接入保护性衬底或其他光学介质。透镜模块52保护图像传感器12免受污染。导电引线38将接触垫18电连接至互连44，该互连44进而被电连接至接触垫48以及主衬底46的电路层50。

以上所述的用于传感器12的封装技术也适合于非光学应用。例如，传感器12可以包括替代了光电探测器14的化学探测器60，如图2中所图示的。在该情况下，未包括透镜模块52，并且传感器12被暴露于环境以用于探测诸如气体或化学物的实体物质。

应该注意的是，传感器12的有效区域之上的间隔件衬底22中的开口24无需共享相同的形状和/或尺寸。图3A至图3D图示出了在衬底22下方相对于传感器12的有效区域12a(即，包含一个或多个传感器的衬底10的区域)在间隔件衬底22中的开口24的示例性配置。如图3A中所图示的，单个开口24具有与下方的有效区域12a的那些尺寸基本上匹配的尺寸。图3B图示出了具有比有效区域12a的那些尺寸更小尺寸的单个开口24。图3C和图3D图示出了开口24可以是布置在有效区域12a之上的多个矩形或圆形开口。

要理解的是，本发明不限于以上所描述和本文所说明的一个或多个实施例，而是涵盖落入所附权利要求的范围内的任何以及所有变形。例如，本文中对本发明的参考并非意在限制任何权利要求或权利要求术语的范围，而是替代地仅仅参照可以由一个或多个权利要求所覆盖的一个或多个特征。如上所描述的材料、工艺和多个示例仅仅是示意性的，并且不应被视作限制权利要求。此外，如从权利要求和说明书显而易见的是，并非所有方法步骤都需要按照所说明或所请求保护的精确顺序来执行，而是按照允许正确地形成封装传感器的任何顺序来执行。最后，材料的单层可以被形成为这种或类似材料的多层，反之亦然。

应该注意的是，如本文使用的，术语“在......之上”和“在......上”均包含地包括“直接在......上”(两者之间没有布置中间材料、元件或间隔)以及“间接在......上”(两者之间布置了中间材料、元件或间隔)。同样地，术语“与......相邻”包括“与......直接相邻”(两者之间没有布置中间材料、元件或间隔)和“与......间接相邻”(两者之间布置了中间材料、元件或间隔)，“安装至......”包括“直接安装至......”(两者之间没有布置中间材料、元件或间隔)和“间接安装至......”(两者之间布置了中间材料、元件或间隔)，以及“电耦合”包括“直接电耦合至......”(两者之间没有中间材料或元件将元件电连接在—起)和“间接电耦合至......”(两者之间有中间材料或元件将元件电连接在—起)。例如，“在衬底之上”形成元件可以包括直接在衬底上形成元件，其中两者之间没有中间材料/元件，以及间接在衬底上形成元件，其中两者之间具有一个或多个中间材料/元件。

Claims (12)

1.一种传感器封装，包括：

主衬底组件，包括：

第一衬底，

一个或多个电路层，其在所述第一衬底中，

多个第一接触垫，其被电耦合至所述一个或多个电路层；

传感器芯片，包括：

第二衬底，其具有相对的第一和第二表面，

一个或多个传感器，其被形成在所述第二衬底之上或之下，

多个第二接触垫，其被形成在所述第二衬底的第一表面处，并且被电耦合至所述一个或多个传感器，

多个孔洞，每一个都被形成到所述第二衬底的第二表面中并且贯穿所述第二衬底延伸到所述第二接触垫中的一个，

间隔件材料，其被布置在所述第二衬底的第一表面上并且包括布置在所述一个或多个传感器之上的一个或多个开口，其中所述间隔件材料包括聚合物和环氧树脂中的至少一个以及被布置在所述第二接触垫上并且向所述第二接触垫提供机械支撑，

玻璃的间隔件衬底，其被布置在所述间隔件材料上，其中所述间隔件衬底包括布置在所述一个或多个传感器之上的一个或多个开口，以及其中所述间隔件材料的一个或多个开口的尺寸不同于所述间隔件衬底的一个或多个开口的尺寸，以及

导电引线，每一个都从所述第二接触垫中的一个贯穿所述多个孔洞中的一个，并且沿着所述第二衬底的第二表面延伸；

多个电连接器，每一个都将所述第一接触垫中的一个与所述导电引线中的一个电连接；以及

透镜模块，其被直接安装至所述主衬底组件，其中所述透镜模块包括被布置用于将光聚焦到所述传感器上的一个或多个透镜。

2.根据权利要求1所述的传感器封装，进一步包括：

绝缘材料的层，其在所述导电引线中的每一个与所述第二衬底之间。

3.根据权利要求1所述的传感器封装，进一步包括：

绝缘材料的共形层，其被布置在所述第二衬底的第二表面之上并且覆盖所述导电引线，除了与所述多个电连接器电接触的其接触垫部分之外，其中所述绝缘材料的共形层延伸到所述孔洞中但并不填满所述孔洞。

4.根据权利要求1所述的传感器封装，其中，所述多个孔洞中的每一个都具有漏斗形状的横截面。

5.根据权利要求1所述的传感器封装，其中，所述一个或多个传感器包括被配置为接收入射在所述第二衬底的第一表面上的光的多个光电探测器。

6.根据权利要求1所述的传感器封装，其中，所述一个或多个传感器包括被配置为探测在所述第二衬底的第一表面附近的实体物质的化学探测器。

7.一种形成传感器封装的方法，包括：

提供包括一个或多个电路层的第一衬底，以及电耦合至所述一个或多个电路层的多个第一接触垫；

提供传感器芯片，其包括：

具有相对的第一和第二表面的第二衬底，

在所述第二衬底的第一表面之上或之下的一个或多个传感器，以及

形成在所述第二衬底的第一表面处并且电耦合至所述一个或多个传感器的多个第二接触垫；

将多个孔洞形成到所述第二衬底的第二表面中，其中所述多个孔洞中的每一个贯穿所述第二衬底并且延伸到所述第二接触垫中的一个；

在所述第二衬底的第一表面上形成间隔件材料并且包括布置在所述一个或多个传感器之上的一个或多个开口，其中所述间隔件材料包括聚合物和环氧树脂中的至少一个以及被布置在所述第二接触垫上并且向所述第二接触垫提供机械支撑，

在所述间隔件材料上安装玻璃的间隔件衬底，其中所述间隔件衬底包括布置在所述一个或多个传感器之上的一个或多个开口，以及其中所述间隔件材料的一个或多个开口的尺寸不同于所述间隔件衬底的一个或多个开口的尺寸，

形成多个导电引线，每一个都从所述第二接触垫中的一个贯穿所述多个孔洞中的一个，并且沿着所述第二衬底的第二表面延伸；

形成多个电连接器，每一个都将所述第一接触垫中的一个与所述导电引线中的一个电连接；以及

直接将透镜模块安装至所述第一衬底，其中所述透镜模块包括被布置用于将光聚焦至所述传感器上的一个或多个透镜。

8.根据权利要求7所述的方法，进一步包括：

在所述多个导电引线中的每一个与所述第二衬底之间形成绝缘材料的层。

9.根据权利要求7所述的方法，进一步包括：

形成绝缘材料的共形层，其被布置在所述第二衬底的第二表面之上并且覆盖所述导电引线，除了与所述多个电连接器电接触的其接触垫部分之外，其中所述绝缘材料的共形层延伸到所述孔洞中但并不填满所述孔洞。

10.根据权利要求7所述的方法，其中，所述多个孔洞中的每一个都具有漏斗形状的横截面。

11.根据权利要求7所述的方法，其中，所述一个或多个传感器包括配置为接收入射在所述第二衬底的第一表面上的光的多个光电探测器。

12.根据权利要求7所述的方法，其中，所述一个或多个传感器包括配置为探测在所述第二衬底的第一表面附近的实体物质的化学探测器。