CN105070732B - 高像素影像传感器封装结构及其制作方法 - Google Patents

Abstract

高像素影像传感器封装结构及其制作方法，所述封装结构包含：分别带有阶梯状收容结构的盖板和支撑盖板，一透明盖板及一带有重布线的晶圆。本发明通过采用刚度较大、强度相对较高的硅或硅基材料作为支撑盖板代替原本的高分子材料的支撑围堰层，解决了高分子聚合物支撑围堰层形成后的均一性差、与接触材料的结合力差等问题，可以减小由于热膨胀系数差异产生的热应力，改善结构中的分层、裂纹等失效。同时，该支撑盖板的高度可以根据实际需求设定，而不局限于几十微米，满足高像素图像传感器对透光盖板与影像传感区间的距离要求。

Description

高像素影像传感器封装结构及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种晶圆级封装结构及其制作方法，尤其涉及一种高像素影像传感器封装结构及其制作方法，属于半导体封装领域。

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被数字化后被存储，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。

高像素影像传感器是指像素较高的影像传感器。高像素影像传感器由于其特殊的光学特征，需要使影像传感区域与玻璃之间保持足够的距离，而且高像素对封装过程的无尘等级要求非常严格，室内的杂质一旦进入封装内，会影响影像传感器的感光，使得传感器难以产生高像素成像效果。

但是在目前的高像素影像传感器封装中，还存在许多结构方面的问题。由于影像传感器表面具有含光学元件的影像传感区，因此同其他器件不同的是必须在其正面覆盖一层保护层，而保护层一般采用透光良好的介质。保护层同芯片的连接一般利用支撑墙(高分子聚合物材料)将两者的四周粘接在一起。为了防止保护层同影像传感区进行接触，因此在影像传感区上方和保护层中间必须有一定高度的空腔结构，这就要求所选用的支撑墙必须具备一定的厚度。但是由于目前采用的支撑墙强度和刚度较小，且均一性较差，不足以满足高像素传感器中对玻璃与影像传感区域间较大间距的支撑作用，这就会引起连接处平整度差和玻璃面不平等问题。而且，由于玻璃面在工艺过程中一直暴露在外部，难以避免的会沾染上空气中的杂质颗粒以及工艺中产生的碎屑等，这就使得高像素图像传感器的感光性能变差，良品率降低。另外，由于支撑墙材料与其他材料的热膨胀系数相差较大，这就导致在支撑墙和其它材料接触的上下表面容易发生由于热应力引起的分层、裂纹，从而导致产品失效。

因此，迫切需要一种高可靠性的高像素影像传感器封装结构。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种高像素影像传感器的封装结构及其制作方法。该封装结构通过本发明实施的封装结构，可以提高传感器成像像素、减少封装中的杂质颗粒、改善支撑盖板分层、裂纹等失效，能降低焊盘处的应力分布。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种高像素影像传感器封装结构，包括盖板(100)、支撑盖板(300)、透明盖板(200)、晶圆(400)；

所述盖板(100)包括盖板第一表面(100a)和盖板第二表面(100b)，盖板第一表面(100a)和盖板第二表面(100b)为盖板(100)的上下表面；盖板第一表面(100a)制作有一盖板收容结构(101)与一盖板通孔(102)，盖板收容结构(101)、盖板通孔(102)共同形成具有阶梯状的盖板空腔结构，盖板收容结构(101)的横截面长度大于盖板通孔(102)横截面长度；

所述支撑盖板(300)具有支撑盖板第一表面(300a)和支撑盖板第二表面(300b)；支撑盖板第一表面(300a)制作有一支撑盖板收容结构(301)与一支撑盖板通孔(302)，它们共同形成的具有阶梯状的空腔结构，支撑盖板收容结构(301)的横截面长度大于支撑盖板通孔(302)横截面长度；

所述透明盖板(200)设置于盖板收容结构(101)与支撑盖板收容结构(301)共同形成的收容空间中；

所述晶圆(400)具有晶圆第一表面与晶圆第二表面，晶圆第一表面与晶圆第二表面为晶圆(400)的上下表面；晶圆第一表面上设置一层钝化层(401)，晶圆第一表面的中央区域设置有元件区(403)，元件区(403)的周边的若干导电焊垫(402)。所述钝化层(401)暴露出导电焊垫(402)，所述元件区(403)与导电焊垫(402)通过内部电路进行电性连接。

盖板(100)与支撑盖板(300)之间、支撑盖板(300)与晶圆(400)之间通过使用键合胶结合在一起；所述盖板(100)与支撑盖板(300)之间、支撑盖板(300)与晶圆(400)之间设有粘结层。透明盖板(200)放置于盖板收容结构(101)与支撑盖板收容结构(301)共同形成的收容空间中，透明盖板(200)直接卡固于收容空间中或透明盖板(200)与盖板(100)之间形成一粘结层，以保证透明盖板(200)的稳固。

所述透明盖板(200)是玻璃、石英、塑胶等透明材质。

所述盖板(100)与支撑盖板(300)是硅或硅基材料。

所述盖板(100)中的盖板通孔(102)高度为0～200μm。支撑盖板(300)中的支撑盖板通孔(302)高度大于等于200μm。

所述盖板(100)与支撑盖板(300)键合在一起后的收容结构空间高度大于等于200μm。

所述支撑盖板收容结构(301)的开口略大于透明盖板(200)的宽度，即透明盖板(200)与撑盖板收容结构(301)侧壁间留有空隙。

所述盖板收容结构(101)与支撑盖板收容结构(301)共同形成的空腔结构为圆形或者方形。

盖板(100)与支撑盖板(300)之间、支撑盖板(300)与晶圆(400)之间的键合胶为高分子树脂类粘接胶。

所述盖板与支撑盖板的减薄方式为研磨或蚀刻工艺或其组合工艺，蚀刻工艺包括深反应离子刻蚀(DRIE)。

一种带应力保护的高可靠性影像传感器封装结构的制作方法，包括以下步骤：

步骤1，提供一盖板，在盖板第一表面形成一收容空间；

步骤2.在收容空间中部再形成一宽度略小的通孔结构；

步骤3，将透明盖板放置于盖板已形成的收容空间中；

步骤4，提供支撑盖板，并在支撑盖板的第一表面上形成一收容空间；

步骤5，在收容空间中部再形成一宽度略小的通孔结构；

步骤6，将盖板第一表面与支撑盖板第一表面的阶梯状平台键合在一起；

步骤7，对支撑盖板的第二表面进行减薄，直至露出支撑盖板形成的通孔结构；

步骤8，在支撑盖板的第二表面与晶圆正面进行键合，所述晶圆正面设置有钝化层、导电焊垫及元件区，钝化层暴露导电焊垫，所述元件区置于通孔中央区域；

步骤9，对晶圆的背面进行减薄；并在其上完成形成开口、铺设绝缘层、重布线、植球等工艺。

步骤10，对盖板的第二表面进行磨削减薄，直至露出透明盖板。

步骤11，对整片晶圆进行切割，分离为单颗芯片。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供一种高像素影像传感器封装结构及其制作方法。

1.通过采用刚度较大、强度相对较高的硅或硅基材料作为支撑盖板代替原本的高分子材料的支撑围堰层，解决了高分子聚合物支撑围堰层形成后的均一性差、与邻近材料的结合力差等问题，可以减小由于热膨胀系数差异产生的热应力，改善结构中的分层、裂纹等失效。

2.同时，该支撑盖板的高度可以根据实际需求设定，而不局限于几十微米，满足高像素图像传感器对透明盖板与影像传感区间的距离要求。

3.封装过程中，透明盖板一直被保护于盖板之下，避免了中间很多可能使透明盖板发生沾污的过程，可以有效减少成品的杂质与颗粒，提高产品良率。

附图说明

图1为根据本发明实施例绘制的高像素影像传感器封装结构示意图。

图2～图14为根据本发明的实施例绘制的高像素影像传感器封装结构制作方法的封装结构剖面示意图。

图3为步骤1后的封装结构剖面示意图。

图4为步骤2后的封装结构剖面示意图。

图6为步骤3后的封装结构剖面示意图。

图7为步骤4后的封装结构剖面示意图。

图8为步骤5后的封装结构剖面示意图。

图9为步骤6后的封装结构剖面示意图。

图10为步骤7后的封装结构剖面示意图。

图11为步骤8后的封装结构剖面示意图。

图12为为步骤9后的封装结构剖面示意图。

图13为为步骤10后的封装结构剖面示意图。

图14为为步骤11后的封装结构剖面示意图。

结合附图，作以下说明：

100-盖板 100a-盖板第一表面

100b-盖板第二表面 101-盖板收容结构

101b-盖板通孔 102-透明盖板

200-透明盖板 300-支撑盖板

300a-支撑盖板第一表面 300b-支撑盖板第二表面

301-支撑盖板收容结构 302-支撑盖板通孔

400-晶圆 401-钝化层

402-导电焊垫 403-元件区

404-开口 405-布线层

406-焊球

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施例进行说明，其中不同实施例中相对应的结构使用相同的标号，但不代表不同实施例及/或结构之间必然有相关性。为方便示意，一些现有惯用的结构在图示中以简化结构绘示，附图中的各结构未按相同比例缩放，故不代表实施例中各结构的实际相对大小。

参照图1，该示意图为本发明实施方式的高像素影像传感器封装。该结构包括：

所述盖板(100)包括盖板第一表面(100a)和盖板第二表面(100b)，(100a)、(100b)为盖板(100)的上下表面；盖板第一表面(100a)制作有一盖板收容结构(101)与一盖板通孔(102)，它们共同形成具有阶梯状的盖板收容结构；上述盖板的通孔深度为0～200μm，用于芯片封装过程中保护透明盖板(200)的表面不被污染。

所述支撑盖板(300)具有支撑盖板第一表面(300a)和支撑盖板第二表面(300b)；支撑盖板第一表面(300a)上制作有一支撑盖板收容结构(301)与一支撑盖板通孔(302)，它们共同形成的具有阶梯状的收容结构，上述支撑盖板的通孔深度大于等于200μm，用于将透明盖板(200)与晶圆的元件区(403)分离开一定距离，一方面避免脏污掉在元件区(403)，一方面防止反射产生鬼影现象，可以提高成像质量。盖板(100)与支撑盖板(300)之间通过使用键合胶结合在一起；两者键合后各自的收容空间形成的深度和需大于等于200μm。

所述透明盖板(200)设置于盖板收容结构(101)与支撑盖板收容结构(301)共同形成的空腔空间中，透明盖板可以直接卡固于此空间中，也可以与盖板之间形成一粘结层。以保证透明盖板(200)的稳固。

所述晶圆(400)具有晶圆第一表面与晶圆第二表面，晶圆第一表面上设置一层钝化层(401)，晶圆第一表面的中央区域设置有元件区(403)，元件区(403)的周边的若干导电焊垫(402)。所述钝化层(401)暴露导电焊垫(402)，所述元件区(403)与导电焊垫(402)通过内部电路进行电性连接。

所述透明盖板(200)可以是玻璃、石英、塑胶等透明材质。

所述盖板(100)与支撑盖板(300)可以是硅或硅基材料。

所述盖板通孔(101b)高度为0～200μm。支撑盖板通孔(301b)高度大于等于200μm。

所述盖板(100)与支撑盖板(300)键合在一起后的收容空间高度要大于等于200μm。

所述支撑盖板收容结构(301)开口略大于透明盖板(200)的收宽度，即透明盖板(102)与支撑盖板收容结构的侧壁间留有空隙。

所述盖板收容结构(101)与支撑盖板收容结构(301)共同形成的空腔结构可以为圆形或者方形。

下面将结合图2～图14来详细本说明实施例的高像素影像传感器封装结构的制作方法。

参照图2、图3与图4，准备一盖板(100)，通过均胶机在盖板第一表面(100a)上均匀涂布一层光刻胶，利用曝光显影工艺将需要制作收容空间的窗口打开，最后通过刻蚀工艺在盖板第一表面(100a)形成空腔；利用相似的工艺，在形成的空腔中再形成一个面积较小的通孔。在本实施例中，所述盖板(100)可以是硅或硅基材质。所述收容结构的形状可以为圆形或者方形。

在本实施例中，所述盖板通孔(101b)高度为0-200μm。

参照图5，将透明盖板(200)以单颗形式，使用拾取设备将其放置于盖板收容结构(101)中。

在本实施例中，所述的透明材料(200)可以是玻璃、石英、塑胶等透明材质。

参照图6、图7及图8，通过均胶机在支撑盖板第一表面(300a)上均匀涂布一层光刻胶，利用曝光显影工艺将需要制作收容空间的窗口打开，然后通过刻蚀工艺在支撑盖板第一表面形成收容空间；利用相似的工艺，在形成的收容空间中再形成一个面积较小的空腔，最终形成具有阶梯状的收容结构。

在本实施例中，所述支撑盖板(103)可以是硅或硅基材质。所述支撑盖板收容结构(301)形成的腔体可以为圆形或者方形。

在本实施例中，所述支撑盖板通孔(302)厚度为大于等于200μm。

参照图9，使用键合机台将放置有透明盖板(200)与支撑盖板第一表面(103a)上的键合胶互相键合在一起，此时透明盖板(200)置于盖板的收容结构(101)与支撑盖板的收容结构(301)共同形成的收容空间中。

在本实施例中，盖板(100)与支撑盖板(300)键合形成组合收容结构的高度大于等于200μm。键合胶可以采用印刷或滚胶方式进行涂布，并且所述键合胶为一种树脂类粘接胶。

在本实施例中，所述透明盖板(200)与支撑盖板收容结构(301)侧壁可以留有一定的空隙，可以防止键合胶的溢出。

参照图10，通过研磨机对支撑盖板第二表面(300b)进行研磨，减薄到设定厚度，留有一定厚度的支撑材料，再对支撑盖板第二表面(103b)进行干法刻蚀，露出支撑盖板收容结构(301)。

在本实施例中，干法刻蚀可以释放材料的内应力，改善支撑盖板(300)的翘曲，便于后续工艺进行。

参照图11，所述晶圆第一表面为功能面，其上设置有钝化层(401)、元件区(403)及元件区周边的若干导电焊垫(402)。所述钝化层暴露导电焊垫(402)，所述元件区与导电焊垫(402)通过内部电路进行电性连接。将支撑盖板第二表面(300b)与晶圆第一表面通过键合胶互相键合起来，使元件区放置于支撑盖板收容结构(301)的中央位置。

参照图12，通过研磨机对晶圆第二表面进行研磨，减薄到设定厚度，并在减薄后对晶圆背面进行去应力等离子刻蚀。接着形成一开口(404)，然后铺设钝化层、线路层、保护层形成布线层(405)，最后植焊球(406)。

参照图13，对盖板第二表面(100b)进行研磨，减薄到设定厚度，留有一定厚度的盖板材料，再对盖板第二表面(100a)进行干法刻蚀，露出盖板第一表面形成的具有阶梯状的收容结构(101)。

参照图14，对封装完成的晶圆进行切割，分离为单颗芯片。

Claims (1)

1.高像素影像传感器封装结构制作方法，其特征在于：该方法包括下述流程，

S1准备一盖板(100)，通过均胶机在盖板第一表面(100a)上均匀涂布一层光刻胶，利用曝光显影工艺将需要制作收容空间的窗口打开，最后通过刻蚀工艺在盖板第一表面(100a)形成空腔；利用相似的工艺，在形成的空腔中再形成一个面积较小的通孔；

S2将透明盖板(200)以单颗形式，使用拾取设备将其放置于盖板收容结构(101)中；

S3通过均胶机在支撑盖板第一表面(300a)上均匀涂布一层光刻胶，利用曝光显影工艺将需要制作收容空间的窗口打开，然后通过刻蚀工艺在支撑盖板第一表面形成收容空间；利用相似的工艺，在形成的收容空间中再形成一个面积较小的空腔，最终形成具有阶梯状的收容结构；

S4使用键合机台将放置有透明盖板(200)与支撑盖板第一表面(103a)上的键合胶互相键合在一起，此时透明盖板(200)置于盖板的收容结构(101)与支撑盖板的收容结构(301)共同形成的收容空间中；

S5通过研磨机对支撑盖板第二表面(300b)进行研磨，减薄到设定厚度，留有一定厚度的支撑材料，再对支撑盖板第二表面(103b)进行干法刻蚀，露出支撑盖板收容结构(301)；

S6晶圆第一表面为功能面，其上设置有钝化层(401)、元件区(403)及元件区周边的若干导电焊垫(402)；所述钝化层暴露导电焊垫(402)，所述元件区与导电焊垫(402)通过内部电路进行电性连接；将支撑盖板第二表面(300b)与晶圆第一表面通过键合胶互相键合起来，使元件区放置于支撑盖板收容结构(301)的中央位置；

S7通过研磨机对晶圆第二表面进行研磨，减薄到设定厚度，并在减薄后对晶圆背面进行去应力等离子刻蚀；接着形成一开口(404)，然后铺设钝化层、线路层、保护层形成布线层(405)，最后植焊球(406)；

S8对盖板第二表面(100b)进行研磨，减薄到设定厚度，留有一定厚度的盖板材料，再对盖板第二表面(100a)进行干法刻蚀，露出盖板第一表面形成的具有阶梯状的收容结构(101)；

S9对封装完成的晶圆进行切割，分离为单颗芯片。