CN104393009B - 包含硅通孔的高可靠性影像传感器封装 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种包含硅通孔的高可靠性影像传感器封装，属于影像传感器封装领域。所述封装结构包括：1.玻璃；2.晶圆，在晶圆正面制作有影像传感区和焊盘；3.通过在玻璃正面制作一层支撑墙，将玻璃同晶圆键合在一起；4.通过在晶圆背面制作硅通孔，将焊盘暴露出来，以使焊盘同后续的再分布层之间实现导通；5.在硅通孔孔内和晶圆背面依次制作钝化层、金属层、防焊层，通过上述结构组成的再分布层，将焊盘与焊球实现导通。本发明通过将硅通孔延伸到玻璃正面，使金属层与焊盘的侧面进行连接，增强了金属层与焊盘之间连接的稳定性，从而提高了结构的可靠性。另外，由于选用了干膜作为支撑墙的材料，减少了工艺步，节约了生产成本。

Description

包含硅通孔的高可靠性影像传感器封装

技术领域

本发明涉及一种包含硅通孔的高可靠性影像传感器封装，属于影像传感器封装领域。

背景技术

影像传感器是一种半导体模块，是一种将光学影像转换成为电子信号的设备，电子信号可以被用来做进一步处理或在数字化后被存储，或用于将影像转移至另一显示装置上显示等。它被广泛应用在数码相机和其他电子光学设备中。影像传感器如今主要分为电荷耦合器件(CCD)和CMOS影像传感器(CIS,CMOS Image Sensor)。虽然CCD影像传感器在影像质量以及噪声等方面优于CMOS影像传感器，但是CMOS传感器可用传统的半导体生产技术制造，生产成本较低。同时由于所用的元件数相对较少以及信号传输距离短，CMOS影像传感器具备功耗低、电容、电感和寄生延迟降低等优点。

随着芯片尺寸封装(CSP)等新的封装技术的出现，影像传感器封装形式也向着更轻、更薄、更便携的方向发展。正是由于CSP产品的封装体小而薄，因此它在手持式移动电子设备中迅速获得了应用。采用CSP封装的影像传感器不仅明显地缩小了封装后的体积尺寸、降低了封装成本、提高了封装效率，而且更加符合高密度封装的要求；同时由于数据传输路径短、稳定性高，这种封装在降低能耗的同时还提升了数据传输的速度和稳定性。

硅通孔(Through-Silicon Via)技术作为一种通过在芯片或晶圆之间制作垂直导通，实现芯片之间互连的技术，被认为是实现三维封装的重要途径。它同时具备许多优点：外形尺寸小、功耗低、封装密度高、高频特性优异、芯片之间互连最短等等。然而硅通孔技术也面临着严峻的挑战，特别是在制备工艺方面：如硅通孔的刻蚀和填充等等。对于高深宽比的硅通孔来说，所面临的挑战更加严峻。

但是在目前的影像传感器封装中，还存在许多影响器件可靠性的问题：

首先，在现有的影像传感器封装中，一般都制作了高分子聚合物材料的支撑墙101，用于将玻璃100和晶圆102键合在一起。由于支撑墙101的材料为高分子聚合物，在服役过程中，由于玻璃100、晶圆102、支撑墙101这三种材料的热膨胀系数相差较大，而热膨胀系数的不匹配会导致热应力的发生，造成支撑墙101同相邻的材料之间发生分层、裂纹等破坏，从而导致器件功能下降甚至失效。

其次，由于支撑墙101还同晶圆正面102a的焊盘104相接触，因此热应力还会传导至焊盘104同金属层107的连接处，从而在连接处产生应力集中，造成连接的失效，形成开路。

因此，迫切需要一种新的焊盘104与金属层107连接方式，增强焊盘104和金属层107之间的结合力，从而增强连接的稳定性，提高器件的可靠性。

发明内容

本发明的第一方面是：提供了一种包含硅通孔的高可靠性影像传感器封装结构。通过本发明实施的封装结构，可以增加封装结构中焊盘104同金属层107之间的结合力，从而增强连接的稳定性，提高封装的可靠性。

为了实现以上目的，本发明采用以下技术方案：

本发明实施的一种包含硅通孔的高可靠性影像传感器封装结构，所述结构包括：玻璃100；晶圆102，在晶圆正面102a制作有影像传感区103和焊盘104；支撑墙101，通过在玻璃正面100a制作一层支撑墙101，将玻璃正面100a同晶圆背面102b键合在一起；硅通孔105，通过在晶圆背面102b制作硅通孔105，将晶圆正面102a的焊盘104暴露出来；再分布层，在硅通孔105孔内和晶圆背面102b依次制作钝化层106、金属层107、防焊层108，通过上述结构组成的再分布层，将晶圆正面102a的焊盘104与晶圆背面102b的焊球109实现导通。

所述硅通孔105从晶圆背面102b依次穿过晶圆102、焊盘104和支撑墙101一直延伸到玻璃正面100a，并将晶圆正面102a的焊盘104暴露出来。

可选的，所述焊盘104分布在影像传感区103的四周边缘，并且同晶圆102中央的影像传感区103之间实现信号连接。

可选的，所述支撑墙101可以通过曝光显影工艺可以图形化，图形化后的支撑墙101位于玻璃100的四周，并且具备一定的宽度和厚度，从而在玻璃100和晶圆102之间形成一个保护影像传感区的空腔结构。

本发明的第二方面是提供了一种制备所述包含硅通孔的高可靠性影像传感器封装结构的方法，包括以下步骤：

步骤1，制作支撑墙101：在玻璃正面100a制作一层晶圆键合所需的支撑墙结构。

步骤2，晶圆102键合：利用键合机，将玻璃正面100a同晶圆正面102a键合在一起。

步骤3，晶圆102减薄：减薄过程分两步进行：首先，通过研磨机，对晶圆背面100b进行研磨，将晶圆102减薄到设定厚度；然后，对减薄后的晶圆背面100b进行去应力等离子刻蚀。

步骤4，制作硅通孔105，硅通孔105的制备包含三步：首先，对晶圆背面100b进行刻蚀以形成硅通孔105孔洞，同时，将晶圆正面100a的焊盘暴104露出来；其次，在硅通孔105孔内、暴露出的焊盘104表面和晶圆背面100b沉积一层钝化层106；最后，采用刻蚀或者激光烧蚀的方法，将硅通孔105底部的钝化层106、焊盘104中部以及部分支撑墙101进行去除，从而将硅通孔105孔洞延伸到玻璃正面100a。

步骤5，依次在晶圆背面102b，硅通孔105孔内制作金属层107和防焊层108，从而将焊盘104导通到晶圆背面102b，预设焊球109的位置；

步骤6，制作焊球109：将焊球109形成于晶圆背面102b的金属层107上，然后对晶圆102的四周进行切割以形成单颗芯片的封装。

可选的，所述支撑墙101为干膜(Dry Film)，所述干膜是一种高分子聚合物光刻胶，由树脂、溶剂、感光化合物和添加剂等组成。

可选的，所述硅刻蚀是采用等离子刻蚀的干法刻蚀工艺，包括深反应离子刻蚀(DRIE)。

可选的，所述金属层107所采用的金属材料包含铜、镍、钛/铜、钛/钨等。

可选的，所述最外侧的防焊层108的厚度不超过钝化层106厚度的1.5倍，以降低不同材料界面之间的应力。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

通过本发明的实施，首先，将硅通孔105穿过晶圆102、焊盘104、支撑墙101一直延伸到玻璃正面100a，使得金属层107固定在玻璃正面100a，同时与焊盘104中部的侧面进行连接。这种结构增强了金属层107与焊盘104之间连接处的稳定性，结合力得到提升，从而提高了封装结构的可靠性。

另一方面，由于选用了干膜(Dry Film)作为支撑墙101的材料，这就将传统工艺中先制作支撑墙101，再通过涂布树脂粘接胶的两步工艺合为一步，减少了工艺步，节约了生产成本。

本发明的下文特举例实施例，并配合附图对本发明的上述特征和优点做详细说明。

附图说明

图1为根据本发明绘制的一种包含硅通孔的高可靠性影像传感器封装结构示意图。

图2(a)到(e)为根据本发明的实施例绘制的一种包含硅通孔的高可靠性影像传感器封装制造流程剖面示意图。

图中标号：100.玻璃，100a.玻璃正面，100b.玻璃背面，101.支撑墙，102.晶圆，102a.晶圆正面，102b.晶圆背面，103.影像传感区，104.焊盘，105.硅通孔，106.钝化层，107.金属层，108.防焊层，109.焊球。

具体实施方式

下面将参照附图对本发明进行更详细的描述：

以图1所示，本发明实施方式的包含硅通孔的高可靠性影像传感器封装结构包括：

1.玻璃100；2.晶圆102，在晶圆正面102a制作有影像传感区103和焊盘104；3.支撑墙101，通过在玻璃正面100a制作一层支撑墙101，将玻璃正面100a同晶圆背面102b键合在一起；4.硅通孔105，通过在晶圆背面102b制作硅通孔105，同时将晶圆正面102a的焊盘104暴露出来，以使焊盘104同后续的再分布层之间实现导通；5.再分布层，在硅通孔105孔内和晶圆背面102b依次制作钝化层106、金属层107、防焊层108，通过上述结构组成的再分布层，将晶圆正面102a的焊盘104与晶圆背面102b的焊球109之间实现导通。

下面将结合图2(a)到(e)来详细说明本实施例的包含硅通孔的高可靠性影像传感器封装制造流程。图2(a)到(e)为根据本发明的实施例绘制的包含硅通孔的高可靠性影像传感器封装制造流程剖面示意图。

步骤1，制作支撑墙101：

首先，请参考图2(a)，通过滚胶机，在盖板正面100a上覆盖一层干膜，利用曝光显影工艺将干膜进行图案化，仅保留玻璃100四周同晶圆102进行键合区域的干膜作为支撑墙101。

在本实施例中，所述支撑墙101是一种干膜(Dry Film)，所述干膜是一种高分子聚合物光刻胶，由树脂、溶剂、感光化合物和添加剂等组成。

步骤2，晶圆102键合：

请参考图2(b)，然后利用键合机，将盖板正面100a同晶圆正面102a进行键合。

步骤3，晶圆102减薄：

请参考图2(c)，首先，通过研磨机对晶圆背面102b进行研磨，减薄到设定厚度；然后，在研磨后对晶圆背面102b进行去应力等离子刻蚀。

在本实施例中，将晶圆102的厚度从最开始的600～700微米降至130微米左右；去应力等离子蚀刻是为了去除晶圆102中由于研磨产生的内应力，改善晶圆102的翘曲，便于后续工艺进行。

步骤4，制作硅通孔105，硅通孔105的制备包含三步：

首先：请参考图2(c)，对晶圆背面102b进行刻蚀以形成硅通孔105孔洞，同时将晶圆正面102a的焊盘104暴露出来；

其次：在硅通孔105孔内、暴露出的焊盘104表面和晶圆背面102b沉积一层钝化层106；

最后，请参考图2(d)，采用刻蚀或者激光烧蚀的方法，将硅通孔105底部的钝化层106、焊盘104中部以及部分支撑墙101进行去除，从而将硅通孔105孔洞延伸到玻璃正面100a。

在本实施例中，所述硅刻蚀方法是采用等离子刻蚀的干法刻蚀工艺，包括深反应离子刻蚀(DRIE)。

步骤5，制作金属层107和防焊层108：

请参考图2(e)，首先，通过溅射或电镀工艺在硅通孔105孔内和钝化层106表面沉积一层金属层107，并将其图形化形成线路；然后在金属层107上涂布一层防焊层108，并在预设焊球109的位置形成开口。

步骤6，制作焊球109：

请参考图2(e)，将焊球109形成于晶圆背面102b的金属层107上，然后对晶圆102的四周进行切割以形成单颗芯片的封装。

在本实施例中，所述焊球109可以采用植球或者钢网印刷的方式制作。

本发明所进行的实施例的描述是目的是有效的说明和描述本发明，但借助这仅借助实例且不应理解为限制由权利要求书界定的本发明的范围。任何本领域所属的技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此本发明的保护覆盖权利要求所界定的发明的实质和范围内的修改。

Claims (3)

1.一种包含硅通孔的影像传感器封装结构，其特征包括：

提供晶圆，其中在晶圆正面具有多个芯片区，芯片区包括位于中央的影像传感区和四周边缘的若干个焊盘；

玻璃，将玻璃正面覆盖在晶圆上，其中在玻璃正面制作有支撑墙；

硅通孔，所述硅通孔穿过晶圆、焊盘和支撑墙一直延伸到玻璃正面，并且将晶圆正面的焊盘暴露出来；

晶圆背面的再分布层结构，所述再分布层由钝化层、金属层和防焊层组成，通过制作再分布层，将晶圆正面的焊盘导通到晶圆背面预设焊球的位置。

2.制备如权利要求1所述的一种包含硅通孔的影像传感器封装结构的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，制作支撑墙：在玻璃正面制作一层晶圆键合所需的支撑墙结构；

步骤2，晶圆键合：利用晶圆键合机，将玻璃正面同晶圆正面键合在一起；

步骤3，晶圆减薄，减薄过程分两步进行：首先，通过研磨机，对晶圆背面进行研磨，将晶圆减薄到设定厚度；然后，对减薄后的晶圆背面进行去应力等离子刻蚀；

步骤4，制作硅通孔，硅通孔的制备包含三步：首先，对晶圆背面进行刻蚀以形成硅通孔孔洞，同时将晶圆正面的焊盘暴露出来；其次，在硅通孔孔内、暴露出的焊盘表面和晶圆背面沉积一层钝化层；最后，采用刻蚀或者激光烧蚀的方法，将硅通孔底部的钝化层、焊盘中部以及部分支撑墙进行去除，从而将硅通孔孔洞延伸到玻璃正面；

步骤5，依次在晶圆背面，硅通孔孔内制作金属层和防焊层，从而将焊盘导通到晶圆背面，预设焊球的位置；

步骤6，制作焊球：将焊球形成于晶圆背面的金属层上，然后对晶圆的四周进行切割以形成单颗芯片的封装。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，防焊层的厚度不超过钝化层厚度的1.5倍。