CN104078477A - 低剖面传感器模块及制造其的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及低剖面传感器模块及制造其的方法。一种主基板组件包括具有相对的第一和第二表面的第一基板，延伸穿过第一基板的孔，电路层，以及电耦合至电路层的第一接触焊盘。传感器芯片包括具有相对的第一和第二表面的第二基板，形成在第二基板上或中并且被配置以接收入射在第二基板第一表面上的光的多个光电探测器，以及形成在第二基板第一或第二表面处并且电耦合至光电探测器的多个第二接触焊盘。间隔件安装至第二基板第一表面。保护性基板安装至间隔件并且布置在光电探测器之上。导电导管每一个延伸穿过间隔件并且与第二接触焊盘中的一个电接触。电连接器电连接第一接触焊盘和导管。
Description
相关申请
本申请要求2013年3月12日提交的美国临时申请No.61/778,238的权益，在此通过引用将其并入。
技术领域
本发明涉及微电子器件的封装，并且更具体地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被封装在更小的封装(其在提供芯片外信号传递连通性的同时保护所述芯片)中的更小的集成电路(IC)器件(也被称为芯片)。一个实例是图像传感器，其是包括光电探测器(其将入射光转换成电信号)的IC器件(其精确地以良好的空间分辨率反映所述入射光的强度和颜色信息)。
在针对图像传感器的晶片级封装解决方案的发展背后存在不同的驱动力。例如，简化型因素(即，用于实现最高的容量/体积比率的增加的密度)克服空间限制并且使得能够实现更小的照相机模块解决方案。可以用更短的互连长度实现增加的电性能，其改善了电性能并且因此改善了器件速度，以及其大大地减少了芯片功率消耗。异质的集成允许不同的功能层的集成(例如，高和低分辨率图像传感器的集成、图像传感器与其处理器的集成等等)。
目前，板载芯片(COB-其中裸芯片被直接安装在印刷电路板上)和Shellcase晶片级CSP(其中晶片被层压在两片玻璃之间)是被用于构造图像传感器模块(例如，用于移动装置照相机、光学鼠标等等)的主要封装和装配工艺。然而，随着使用更高像素图像传感器，COB和Shellcase WLCSP装配变得越来越困难，归因于针对封装8和12英寸图像传感器晶片的装配限制、尺寸限制(此要求是针对较低剖面器件)、产量问题和资本投资。
存在对提供节约成本并且可靠(即，提供必要的机械支撑和电连接性)的低剖面封装解决方案的改进的封装和封装技术的需要。
发明内容
一种图像传感器封装包括主基板组件和传感器芯片。主基板组件包括具有相对的第一和第二表面的第一基板，在第一和第二表面之间延伸穿过第一基板的孔，一个或多个电路层，以及电耦合至该一个或多个电路层的多个第一接触焊盘。传感器芯片包括具有相对的第一和第二表面的第二基板，形成在第二基板上或中并且配置为接收入射在第二基板的第一表面上的光的多个光电探测器，以及形成在第二基板的第一表面或第二表面处并且电耦合至光电探测器的多个第二接触焊盘。间隔件安装至第二基板的第一表面。保护性基板安装至间隔件并且布置在该多个光电探测器之上。多个电导管每一个由导电材料形成并且延伸穿过间隔件并且与第二接触焊盘中的一个电接触。电连接器每一个电连接第一接触焊盘中的一个以及电导管中的一个。
在图像传感器封装的另一个方面中，其包括主基板组件和传感器芯片。主基板组件包括具有相对的第一和第二表面的第一基板，在第一和第二表面之间延伸穿过第一基板的孔，一个或多个电路层，以及电耦合至该一个或多个电路层的多个第一接触焊盘。传感器芯片包括具有相对的第一和第二表面的第二基板，形成在第二基板上或中并且配置为接收入射在第二基板的第一表面上的光的多个光电探测器，以及形成在第二基板的第一表面或第二表面处并且电耦合至光电探测器的多个第二接触焊盘。保护性基板安装至第二基板，其中保护性基板包括形成在其表面中的空腔，该空腔布置在该多个光电探测器之上。多个电导管每一个由延伸穿过保护性基板并且与第二接触焊盘中的一个电接触的导电材料形成。电连接器每一个电连接第一接触焊盘中的一个以及电导管中的一个。
一种形成图像传感器封装的方法包括：提供包括相对的第一和第二表面的第一基板、在第一和第二表面之间延伸穿过第一基板的孔、一个或多个电路层、以及电耦合至该一个或多个电路层的多个第一接触焊盘；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基板、形成在第二基板上或中并且配置为接收入射在第二基板的第一表面上的光的多个光电探测器、以及形成在第二基板的第一表面或第二表面处并且电耦合至光电探测器的多个第二接触焊盘；将间隔件安装至第二基板的第一表面；将保护性基板安装至间隔件，其中保护性基板布置在该多个光电探测器之上；形成导电材料的多个电导管，每一个电导管延伸穿过间隔件并且与第二接触焊盘中的一个电接触；以及形成电连接器，每一个电连接器电连接第一接触焊盘中的一个以及电导管中的一个。
在形成图像传感器封装的方法的另一个方面中，其包括提供包括相对的第一和第二表面的第一基板、在第一和第二表面之间延伸穿过第一基板的孔、一个或多个电路层、以及电耦合至该一个或多个电路层的多个第一接触焊盘；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基板、形成在第二基板上或中并且配置为接收入射在第二基板的第一表面上的光的多个光电探测器、以及形成在第二基板的第一表面或第二表面处并且电耦合至光电探测器的多个第二接触焊盘；将保护性基板安装至第二基板，其中保护性基板包括形成在其表面中的空腔，该空腔布置在该多个光电探测器之上；形成导电材料的多个电导管，每一个电导管延伸穿过保护性基板并且与第二接触焊盘中的一个电接触；以及形成电连接器，每一个电连接器电连接第一接触焊盘中的一个以及电导管中的一个。
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显而易见。
附图说明
图1A至图1F是依次示出了形成图像传感器组件过程中的各步骤的剖面侧视图。
图2A至图2D是依次示出了形成图像传感器组件的替换实施例过程中的各步骤的剖面侧视图。
图3A至图3B是依次示出了形成图像传感器组件的第二替换实施例过程中的各步骤的剖面侧视图。
图4是示出了图像传感器组件的第三替换实施例的剖面侧视图。
图5是示出了图像传感器组件的第四替换实施例的剖面侧视图。
图6是示出了图像传感器组件的第五替换实施例的剖面侧视图。
具体实施方式
本发明涉及照相机模块和微电子图像传感器器件的封装，并且更具体地涉及形成包括低剖面晶片级封装的图像传感器的低剖面芯片级照相机模块。
图1A至图1F示出了封装的图像传感器的形成。所述形成开始于包含形成于其上的多个图像传感器12的晶片10(基板)，如在图1A中所示出的。每个图像传感器12包括多个光电探测器14、支持电路16以及接触焊盘18。接触焊盘18被电连接到光电探测器14和/或它们的支持电路16，用于提供芯片外信号传递。每个光电探测器14将光能转换为电压信号。附加的电路可以被包括以放大所述电压，和/或将其转换为数字数据。滤色器和/或微透镜20可以被安装在所述光电探测器14之上。此类型的传感器在本领域中是公知的，并且在此处不被进一步描述。
保护性基板22经由间隔件24安装在基板10之上。优选地，基板22和间隔件24形成了空腔26，每一个空腔单独密封传感器12中的一个。空腔26优选地足够大以覆盖每个传感器12的整个有效传感器区域，但是不延伸在接触焊盘18之上。保护性基板22和间隔件24通过环氧树脂、聚合物、树脂或任何其他合适的(多个)接合粘合剂和(多个)方法而接合在图像传感器基板10的有效侧面上。基板22可以是聚合物、玻璃、玻璃和聚合物的组合物、或任何其他(多个)光学透明的材料。优选地，基板22是具有在50至1000μm的范围内的厚度的玻璃。间隔件24可以由具有在5至500μm的范围内的优选高度的环氧树脂、聚合物、树脂、玻璃、焊料掩模或任何其他合适的(多个)材料制成。得到的结构示出在图1B中。
可以通过机械研磨、化学机械抛光(CMP)、湿法蚀刻、大气下游等离子体(ADP)、干法化学蚀刻(DCE)、以及前述工艺的组合或任何其他合适的(多个)硅减薄方法来完成硅减薄以减小基板10的厚度。基板10的已减薄厚度的非限制性实例是在50至500μm的范围内，诸如大约200μm。通孔28随后形成在基板22的顶表面中并且一直延伸穿过基板22和间隔件24以暴露接触焊盘18。可以通过光刻、之后是等离子蚀刻、激光钻孔、湿法蚀刻或任何其他合适的(多个)通路形成方法来制造通孔28。优选地，使用激光钻孔，并且通孔28的底部不大于接触焊盘18使得不暴露基板10的硅的任何部分。通孔28的顶部开口优选地大于它们的底部开口，对于每个通孔28形成漏斗形状。得到的结构示出在图1C中。
采用导电材料30填充通孔28或给通孔28加衬里，所述导电材料诸如是银、铜、铝、金、导电聚合物、导电粘合剂、前述材料的组合或任何其他合适的(多个)导电材料。导电材料30可以通过PVD(物理气相沉积)、电镀、丝网印刷或任何其他合适的(多个)分配方法而沉积在通孔28中。导电材料30形成了电导管，每一个电导管延伸穿过保护性基板22和间隔件24。电互连32随后形成或沉积在导电材料30上。互连32可以是BGA、柱头凸块、电镀凸块、导电聚合物凸块、铜柱、微柱或任何其他合适的互连结构。替换地，互连30可以以它们与导电材料30电接触的方式而形成为与通孔28相邻。可以采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/单体化以将每个图像传感器12分离成单独的管芯。得到的结构示出在图1D中。
经单体化的封装的传感器管芯可以随后经由互连32安装至主基板34，主基板34具有接触焊盘36、电路层38和位于图像传感器12之上的孔40，如图1E所示。主基板34可以是有机柔性PCB、FR4PCB、硅(刚性)、玻璃、陶瓷或任何其他类型的合适基板。
透镜模块42可以安装在传感器12之上，如图1F所示。示例性的透镜模块42可以包括接合至主基板34的外壳44，其中外壳44在传感器12之上支撑一个或多个透镜46。采用该最终结构，图像传感器12通过互连32固定至主基板34的一侧，并且透镜模块42固定至主基板34的另一侧，其中透镜模块将入射的光通过孔40、保护性基板22聚焦至光电探测器14上。保护性基板22保护图像传感器12免受污染。导电材料30将接触焊盘18电连接至互连32，所述互连又电连接至主基板34的接触焊盘36以及电路层38。
图2A至图2D示出了封装的图像传感器的替换实施例的形成。所述形成开始于与图1A所示的相同的结构，除了接触焊盘18位于光入射到其上的基板10的相对表面上之外。该配置可以包括背面照射的传感器器件(BSI)，其中光电探测器14形成为与基板的相对表面相邻，因为接触焊盘18或光电探测器被配置为探测穿过该相对表面进入基板10的光。使用合适的粘合剂52将基板10安装至支撑基板50，如图2A所示。随后通过保护性基板22、间隔件24以及通过上面关于图1B和图1C描述的相同技术减薄的支撑基板50密封传感器，以得到图2B中所示的结构。
如上面关于图1C所解释的，随后在基板22的顶表面中形成通孔28，并且通孔28延伸一直穿过基板22和穿过间隔件24。额外地，通过额外的硅蚀刻使得通孔28延伸穿过基板10以暴露接触焊盘18。采用绝缘层54给通孔28的侧壁加衬里，所述绝缘层诸如是聚酰亚胺、陶瓷、聚合物、聚合物合成物、聚对二甲苯、氧化硅、环氧树脂、硅树脂、氮化物、玻璃、树脂、和/或前述材料的组合或任何其他合适的(多个)介电材料。优选地，绝缘层54是二氧化硅，并且通过在整个结构之上沉积材料54的层、之后沉积光致抗蚀剂层来形成。通过光刻图形化光致抗蚀剂层以去除除了通孔28的侧表面之外的光致抗蚀剂层，留下暴露的(即在水平表面上的)层54的剩余部分。使用蚀刻以去除层54的已暴露部分，留下图2C所示的结构(在去除光致抗蚀剂之后)。
接着执行上面关于图1D至图1F所讨论的处理步骤(即形成导电材料30和互连32，单体化管芯，安装主基板34，以及包括透镜模块42)，这导致得到图2D所示的结构。
图3A和图3B示出了封装的图像传感器的第二替换实施例的形成，其中通孔28和导电材料30没有被形成为穿过保护性基板22。所述形成开始于与图1B中所示的相同的结构。在基板10的硅减薄之后，优选地通过使用激光切割设备、机械锯切、和前述工艺的组合或任何其他合适的(多个)玻璃切割方法，如图3A所示，切割并且去除在接触焊盘18之上的保护性基板22的部分。激光切割是优选的方法，并且暴露在接触焊盘18之上的间隔件24的部分。
穿过间隔件24形成通孔28，以便以类似于上面关于图1C所描述的方式暴露接触焊盘18。随后执行上面关于图1D至图1F所描述的处理步骤以得到图3B所示的结构。该实施例的总厚度可以小于图1F的总厚度，因为保护性基板22可以至少部分地突出到孔40中。
图4示出了封装的图像传感器的第三替换实施例，其中在执行上面关于图2C至图2D所描述的剩余处理步骤之前，如上面关于图3A所描述的对保护性基板22的切割被应用于图2B的结构。该实施例的总厚度可以小于图2D的总厚度，因为保护性基板22可以至少部分地突出到孔40中。
将被理解的是，本发明不限于上面所描述的和此处示出的(多个)实施例，而是涵盖落入随附的权利要求的范围内的任何和所有变体。例如，此处对本发明的参考不是意在限制任何权利要求或权利要求项的范围，而是相反地仅仅涉及可能由一个或多个权利要求覆盖的一个或多个特征。上面所描述的材料、工艺以及数值实例仅是示例性的，并且不应被认为限制所述权利要求。此外，如从权利要求和说明书显而易见的，不是所有方法步骤需要按照所示出的或所要求保护的精确顺序而被执行，而是以允许适当地形成封装的图像传感器的任何顺序来执行。对于每个传感器管芯，间隔件24可以是单个元件或者多个分立的间隔件元件。替换地，间隔件24可以从图1F和图2D的实施例省略，并且替代地空腔26可以形成在基板22的底表面中(例如通过光刻蚀刻)，分别如图5和图6所示，其中通孔28和导电材料30穿过基板22形成。最后，材料的单层可以形成为这种或类似材料的多层，反之亦然。
应注意的是，如此处所使用的，术语“之上”和“上”两者广范围地包括“直接在…上”(没有中间材料、元件或空间被布置在其之间)和“间接在…上”(中间材料、元件或空间被布置在其之间)。同样地，术语“相邻”包括“直接相邻”(没有中间材料、元件或空间被布置在其之间)和“间接相邻”(中间材料、元件或空间被布置在其之间)，“被安装到”包括“直接被安装到”(没有中间材料、元件或空间被布置在其之间)和“间接被安装到”(中间材料、元件或空间被布置在其之间)，并且“被电耦合”包括“直接被电耦合到”(在其之间没有将所述元件电连接在一起的中间材料或元件)和“间接被电耦合到”(在其之间存在将所述元件电连接在一起的中间材料或元件)。例如，“在基底之上”形成元件可以包括在所述基底上直接形成所述元件而在其之间没有中间材料/元件，也包括在所述基底上间接形成所述元件而在其之间存在一个或多个中间材料/元件。
Claims (26)
1.一种图像传感器封装，包括：
主基板组件，包括：
第一基板，具有相对的第一和第二表面，
孔，在所述第一和第二表面之间延伸穿过所述第一基板，
一个或多个电路层，
多个第一接触焊盘，电耦合至所述一个或多个电路层；
传感器芯片，其包括：
第二基板，具有相对的第一和第二表面，
多个光电探测器，形成在所述第二基板上或中，并且被配置以接收入射在所述第二基板的第一表面上的光，以及
多个第二接触焊盘，形成在所述第二基板的第一表面或第二表面处，并且电耦合至所述光电探测器；
间隔件，安装至所述第二基板的第一表面；
保护性基板，安装至所述间隔件并且布置在所述多个光电探测器之上；
多个电导管，每个电导管由延伸穿过所述间隔件并且与所述第二接触焊盘中的一个电接触的导电材料形成；以及
电连接器，每个电连接器电连接所述第一接触焊盘中的一个与所述电导管中的一个。
2.根据权利要求1所述的图像传感器封装，进一步包括：
透镜模块，安装至所述主基板组件，其中所述透镜模块包括被布置用于穿过所述孔将光聚焦至所述光电探测器上的一个或多个透镜。
3.根据权利2所述的图像传感器封装，其中：
所述透镜模块安装至所述第一基板的第一表面；以及
所述第一接触焊盘布置在所述第一基板的第二表面处。
4.根据权利要求1所述的图像传感器封装，其中，所述电导管的每一个具有漏斗形截面。
5.根据权利要求1所述的图像传感器封装，其中，所述第二接触焊盘形成在所述第二基板的第一表面处。
6.根据权利要求5所述的图像传感器封装，其中，所述电导管的每一个也延伸穿过所述保护性基板。
7.根据权利要求5所述的图像传感器封装，其中，所述保护性基板至少部分地布置在所述孔中。
8.根据权利要求1所述的图像传感器封装，其中，所述第二接触焊盘形成在所述第二基板的第二表面处，并且其中所述电导管的每一个也延伸穿过所述第二基板的至少一部分并且与该至少一部分绝缘。
9.根据权利要求8所述的图像传感器封装，进一步包括：
支撑基板，安装至所述第二基板的第二表面。
10.根据权利要求8所述的图像传感器封装，其中，所述电导管的每一个也延伸穿过所述保护性基板。
11.根据权利要求8所述的图像传感器封装，其中，所述保护性基板至少部分地布置在所述孔中。
12.一种图像传感器封装，包括：
主基板组件，包括：
第一基板，具有相对的第一和第二表面，
孔，在所述第一和第二表面之间延伸穿过所述第一基板，
一个或多个电路层，
多个第一接触焊盘，电耦合至所述一个或多个电路层；
传感器芯片，包括：
第二基板，具有相对的第一和第二表面，
多个光电探测器，形成在所述第二基板上或中，并且被配置以接收入射在所述第二基板的第一表面上的光，以及
多个第二接触焊盘，形成在所述第二基板的第一表面或第二表面处并且电耦合至所述光电探测器；
保护性基板，安装至所述第二基板，其中所述保护性基板包括形成在其表面中的空腔，所述空腔布置在所述多个光电探测器之上；
多个电导管，每一个电导管由延伸穿过所述保护性基板并且与所述第二接触焊盘中的一个电接触的导电材料形成；以及
电连接器，每一个电连接器电连接所述第一接触焊盘中的一个与所述电导管中的一个。
13.根据权利要求12所述的图像传感器封装，进一步包括：
透镜模块，安装至所述主基板组件，其中所述透镜模块包括被布置用于穿过所述孔将光聚焦至所述光电探测器上的一个或多个透镜。
14.根据权利要求12所述的图像传感器封装，其中：
所述透镜模块安装至所述第一基板的第一表面；以及
所述第一接触焊盘布置在所述第一基板的第二表面处。
15.根据权利要求12所述的图像传感器封装，其中，所述电导管的每一个具有漏斗形截面。
16.根据权利要求12所述的图像传感器封装，其中，所述第二接触焊盘形成在所述第二基板的第一表面处。
17.根据权利要求12所述的图像传感器封装，其中，所述第二接触焊盘形成在所述第二基板的第二表面处，并且其中所述电导管的每一个也延伸穿过所述的第二基板的至少一部分并且与该至少一部分绝缘。
18.根据权利要求17所述的图像传感器封装，进一步包括：
支撑基板，安装至所述第二基板的第二表面。
19.一种形成图像传感器封装的方法，包括：
提供包括相对的第一和第二表面的第一基板，在所述第一和第二表面之间延伸穿过所述第一基板的孔，一个或多个电路层，以及电耦合至所述一个或多个电路层的多个第一接触焊盘；
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基板，形成在所述第二基板上或中并且被配置以接收入射在所述第二基板的第一表面上的光的多个光电探测器，以及形成在所述第二基板的第一表面或第二表面处并且电耦合至所述光电探测器的多个第二接触焊盘；
安装间隔件至所述第二基板的第一表面；
安装保护性基板至所述间隔件，其中所述保护性基板布置在所述多个光电探测器之上；
形成导电材料的多个电导管，每一个电导管延伸穿过所述间隔件并且与所述第二接触焊盘中的一个电接触；
形成电连接器，每一个电连接器电连接所述第—接触焊盘中的—个与所述电导管中的一个。
20.根据权利要求19所述的方法，进一步包括：
安装透镜模块至所述主基板组件，其中所述透镜模块包括被布置用于穿过所述孔将光聚焦至所述光电探测器上的一个或多个透镜。
21.根据权利要求19所述的方法，其中，所述第二接触焊盘形成在所述第二基板的第一表面处，并且其中所述形成多个电导管进一步包括将所述电导管中的每一个形成为延伸穿过所述保护性基板。
22.根据权利要求19所述的方法，其中，所述第二接触焊盘形成在所述第二基板的第二表面处，并且其中所述形成多个电导管进一步包括将所述电导管中的每一个形成为延伸穿过所述第二基板的至少一部分并且与该至少一部分绝缘。
23.一种形成图像传感器封装的方法，包括：
提供包括相对的第一和第二表面的第一基板，在所述第一和第二表面之间延伸穿过所述第一基板的孔，一个或多个电路层，以及电耦合至所述一个或多个电路层的多个第一接触焊盘；
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基板，形成在所述第二基板上或中并且被配置以接收入射在所述第二基板的第一表面上的光的多个光电探测器，以及形成在所述第二基板的第一表面或第二表面处并且电耦合至所述光电探测器的多个第二接触焊盘；
安装保护性基板至所述第二基板，其中所述保护性基板包括形成在其表面中的空腔，所述空腔布置在所述多个光电探测器之上；
形成导电材料的多个电导管，每一个电导管延伸穿过所述保护层基板并且与所述第二接触焊盘中的一个电接触；
形成电连接器，每一个电连接器电连接所述第一接触焊盘中的一个与所述电导管中的一个。
24.根据权利要求23所述的方法，进一步包括：
安装透镜模块至所述主基板组件，其中所述透镜模块包括被布置用于穿过所述孔将光聚焦至所述光电探测器上的一个或多个透镜。
25.根据权利要求23所述的方法，其中，所述第二接触焊盘形成在所述第二基板的第一表面处。
26.根据权利要求23所述的方法，其中，所述第二接触焊盘形成在所述第二基板的第二表面处，并且其中所述形成多个电导管进一步包括将所述电导管中的每一个形成为延伸穿过所述第二基板的至少一部分并且与该至少一部分绝缘。
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