CN105762159B - 具有感测表面空腔的图像传感器装置及相关方法 - Google Patents

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Abstract

本披露涉及具有感测表面空腔的图像传感器装置及相关方法。一种图像传感器装置，该图像传感器装置可以包括互连层、由该互连层承载并且具有图像感测表面的图像传感器IC以及横向地包围该图像传感器IC并且覆盖该图像传感器IC的上表面直到该图像感测表面的包封材料。该图像传感器装置可以包括光学板和镜头组件，该光学板具有由该包封材料的上表面承载并且与该图像感测表面相对准的周边下表面，该光学板在该图像感测表面上方被间隔开以限定内部空腔，并且该镜头组件耦合至该包封材料并且与该图像感测表面相对准。

Description

具有感测表面空腔的图像传感器装置及相关方法
技术领域
本披露涉及电子装置领域，并且更具体地涉及图像传感器及相关方法。
背景技术
通常，电子装置包括用于提供增强的媒体功能的一个或多个照相机模块。例如，典型的电子装置可以利用这些照相机模块进行照片拍摄和视频电话会议。在具有多个照相机模块的典型电子装置中，主照相机模块具有高像素密度和可调焦距镜头系统，而副照相机模块是前置的并且具有较低的像素密度。同样，副照相机模块可以具有固定焦距镜头系统。
例如，授予布罗迪(Brodie)等人、部分被转让给本申请的受让人的美国专利号7,880,132披露了一种用于移动装置的照相机模块。该照相机模块包括镜头、承载镜头的壳体以及在镜头和壳体之上的镜头盖。该照相机模块包括用于调节镜头的镜筒(barrel)机构。在包括一个或多个照相机模块的电子装置的制造期间，尤其是在大批量生产运行中，期望尽可能快地制造电子装置。
典型的照相机模块是在多步骤的过程中制造的。前面的步骤包括半导体加工以提供图像传感器集成电路(IC)。接下来的步骤包括针对图像传感器IC的某种形式的测试以及封装。可以将图像传感器IC组装到照相机模块中(如果需要的话，则与镜头和可移动镜筒一起被组装)。可以手动地或经由机器执行对照相机模块的这种组装。例如，在使用多个表面安装部件的电子装置中，拾取和放置(pick-and-place，PNP)机器可以将这些部件组装到印刷电路板(PCB)上。
首先参照图1，现在描述一种典型的图像传感器装置100。图像传感器装置100包括互连层101、由该互连层承载的多个触点102a-102b以及在该互连层之上的图像传感器IC103。图像传感器装置100包括耦合于图像传感器IC 103与互连层101之间的键合接线104、与该图像传感器IC相对准的光学板105以及包围该图像传感器IC和该透明板的包封材料106。图像传感器装置100包括在互连层101之上的镜头组件108以及在包封材料106中的电子部件107。
现在参照图2，现在描述另一个典型的图像传感器装置200。图像传感器装置200包括互连层201、由该互连层承载的多个球栅阵列(BGA)触点202a-202l、在该互连层之上的图像传感器IC 203以及在该互连层与该图像传感器IC之间的粘合层210。图像传感器装置200包括耦合于图像传感器IC 203与互连层201之间的键合接线204a-204b、与该图像传感器IC相对准的光学板205以及完全包围该图像传感器IC和该透明板的包封材料206。图像传感器装置200包括在包封材料206中的电子部件207a-207b、在图像传感器IC 203与光学板205之间的环形粘合层209。
发明内容
通常，图像传感器装置可以包括互连层、以及由互连层承载并且具有图像感测表面的图像传感器IC。图像传感器装置可以包括横向地包围图像传感器IC并覆盖图像传感器IC的上表面直到图像感测表面的包封材料以及具有由该包封材料的上表面承载并且与该图像感测表面相对准的周边下表面的光学板。光学板可以在图像感测表面上方被间隔开以限定内部空腔。图像传感器装置可以包括耦合至包封材料并且与图像感测表面相对准的镜头组件。
此外，图像传感器IC可以包括在图像感测表面上的多个微透镜。在一些实施例中，光学板可以包括红外(IR)滤光片。在其他实施例中，光学板可以包括防反射板。
图像传感器IC可以包括限定图像感测表面的半导体衬底以及在半导体衬底上的多个导电键合焊盘。图像传感器装置还可以包括耦合于该多个键合焊盘与该互连层之间的多条键合接线。互连层可以包括在其中的多条导电迹线以及分别耦合至该多条导电迹线的多个导电触点。
此外，图像传感器装置可以包括在该包封材料中并且耦合至该互连层的电子部件。图像传感器装置可以进一步包括在该包封材料与该镜头组件之间的粘合层。
另一个方面涉及一种用于制造图像传感器装置的方法。该方法可以包括：定位图像传感器IC，该图像传感器IC由互连层承载并且具有图像感测表面。该方法可以包括：形成横向地包围该图像传感器IC并且覆盖该图像传感器IC的上表面直到该图像感测表面的包封材料，并且定位光学板。光学板可以具有由该包封材料的上表面承载并且与该图像感测表面相对准的周边下表面，并且可以在该图像感测表面上方被间隔开以限定内部空腔。该方法可以包括：将镜头组件耦合至该包封材料并且使该镜头组件与该图像感测表面相对准。
更具体而言，图像传感器IC可以包括覆盖图像感测表面的胶带层。该方法可以包括：去除该胶带层以在该包封材料中限定与该图像感测表面相对准的凹陷。
附图说明
图1和图2是根据现有技术的图像传感器装置的示意性横截面视图。
图3是根据本披露的图像传感器装置的示意性横截面视图。
图4是根据本披露的图像传感器装置的另一个实施例的示意性横截面视图。
图5A至图5H是在制造图3的图像传感器装置时的步骤的示意性横截面视图。
具体实施方式
现在将在下文中参照附图更全面描述本披露，其中附图示出了本发明的若干实施例。然而本披露可以以许多不同的形式来实施，并且不应当被解释为限于在此所陈述的实施例。相反，提供这些实施例以使得本披露将是全面和完整的，并且将向本领域技术人员完全传达本披露的范围。贯穿全文相似的数字指代相似的元件，并且上撇号符号用于指示在替代实施例中的类似元件。
现在参照图3，现在描述了根据本披露的图像传感器装置10。图像传感器装置10说明性地包括互连层11。互连层11说明性地包括电介质层13(例如，液晶聚合物)、由该电介质层承载的多条导电迹线24a-24b(例如，铜、铝)以及分别耦合至该多条导电迹线的多个导电触点12a-12b(例如，铜、铝)。
图像传感器装置10说明性地包括由互连层11承载并且具有图像感测表面15的图像传感器IC 14(例如，彩色图像传感器)，以及在该互连层与该图像传感器IC之间的粘合层27。此外，图像传感器IC 14说明性地包括在该图像感测表面15上的多个微透镜16(这些微透镜过滤期望的辐射波长)。图像传感器IC 14说明性地包括在其上表面上限定图像感测表面15的半导体衬底17(例如，硅)以及在该半导体衬底上与该图像感测表面相邻的多个导电键合焊盘22a-22b(例如，铜、铝)。图像传感器装置10说明性地包括耦合于该多个键合焊盘22a-22b与该互连层11之间的多条键合接线23a-23b(例如，铜、铝)。
图像传感器装置10包括包封材料18，该包封材料横向地包围图像传感器IC 14并且覆盖图像传感器IC的上表面直到图像感测表面15。在所展示的实施例中，包封材料18完全封闭该多条键合接线23a-23b。包封材料18可以包括模制化合物或者例如电介质树脂。此外，图像传感器装置10说明性地包括在包封材料18中并且耦合至互连层11的电子部件25a-25b(例如，电容器或电阻器)。
图像传感器装置10包括光学板19，该光学板具有由包封材料18的上表面承载并且与图像感测表面15相对准的周边下表面。光学板19的下表面与包封材料18的上表面共面，由此提供稳定的安装表面。
光学板19在图像感测表面15上方被间隔开以限定内部空腔20。内部空腔20的横向尺寸尽可能地小，但是通常比图像感测表面15大少量。这是由于加工约束而导致的，例如，由于在模制过程中在可移除胶带层下面的树脂流出或者由于切割所致的可移除胶带层中的缺陷。
内部空腔20说明性地是矩形形状的。在一些实施例中，光学板19可以包括IR滤光片。在其他实施例中，光学板19可以包括防反射板。图像传感器装置10说明性地包括环形粘合层28，该环形粘合层包围光学板19并且将光学板固定于包封材料18的上表面。
图像传感器装置10说明性地包括镜头组件21，该镜头组件耦合至包封材料18并且与图像感测表面15相对准。图像传感器装置10说明性地包括在包封材料18与镜头组件21之间的粘合层26。镜头组件21可以包括镜筒壳体、由镜筒壳体承载的镜头以及由镜筒壳体承载并且用于对该镜头进行致动/对焦的电机。一些实施例可以替代地包括固定焦距镜头组件21。
另一个方面涉及一种用于制造图像传感器装置10的方法。该方法可以包括定位图像传感器IC 14，该图像传感器IC由互连层11承载并且具有图像感测表面15。该方法可以包括：形成横向地包围该图像传感器IC 14并且覆盖该图像传感器IC的上表面直到该图像感测表面15的包封材料18，并且定位光学板19。光学板19具有由该包封材料18的上表面承载并且与该图像感测表面15相对准的周边下表面，并且可以在该图像感测表面上方被间隔开以限定内部空腔20。该方法可以包括：将镜头组件21耦合至该包封材料18并且使该镜头组件与该图像感测表面15相对准。
现在另外参照图5A至图5H，现在描述用于制造图像传感器装置10的方法的一个示例性实施例。在图5A，互连层11设置有多个导电触点12aa-12cb。在图5B，电子部件25aa-25cb被安装在互连层11上，例如，所展示的表面安装器件。在图5C，图像传感器IC 14a-14c经由对应的粘合层27a-27c被安装在互连层11上。此步骤还包括针对粘合层27a-27c的固化(例如，基于加热的)工艺。
图像传感器IC 14a-14c中的每一个图像传感器IC均说明性地包括覆盖对应图像感测表面的胶带层29a-29c。胶带层29a-29c在制造工艺过程中充当图像感测表面的保护层。
可以例如使用在晶片级上在特定区域上的丝网印刷粘合剂、涂覆有粘合剂并且蚀刻成特定图案(在晶片级上)的晶片、或者一条预先切割的胶带(接下来作为PNP的工艺)来在图像传感器IC14a-14c上形成胶带层29a-29c。在一个实施例中，可以使用包括晶片层压步骤、晶片背磨和抛光步骤、晶片安装步骤、胶带层附接步骤和晶片单片化步骤的示例性工艺来准备图像传感器IC 14a-14c。
在图5D，形成多条键合接线23aa-23cb用于将图像传感器IC14a-14c耦合至互连层11。在图5E，形成包封材料18以覆盖互连层。图像感测表面由于胶带层29a-29c而受到保护。此外，当在图5F中去除胶带层29a-29c时，在包封材料18中形成矩形凹陷30a-30c，这些凹陷与这些图像感测表面相对准。
在一个实施例中，可以使用紫外线(UV)固化(这将会减少粘合)以及随后在胶水起始温度(例如，180℃)之上进行的焙烧(这将引起收缩效应)来去除胶带层29a-29c。胶带层29a-29c将收缩并向上弯曲(剥落)，并且易于被空气枪去除。在另一个实施例中，可以使用UV固化(这将会减少粘合)以及随后的将更强粘合材料层层压到胶带层上来去除胶带层29a-29c。去除该更强粘合材料层也将去除胶带层29a-29c。
在图5G，使用环形粘合层28a-28b和固化步骤将光学板19a-19c耦合至包封材料18的上表面。在图5H，例如，使用机械锯对图像传感器装置10a-10c进行单片化。尽管未进行描述，该方法可以包括将镜头组件21附接到包封材料18上的附加步骤。
典型的图像传感器装置100、200可能遭遇若干种问题。例如，图像传感器装置100、200可能遭遇脱层问题，这是由于热膨胀系数(CTE)失配造成的，即，降低了可靠性。此外，图像传感器装置100、200可能具体而言在形成坝状物并填充粘合光学板附接物的过程中遭遇粘合材料流出到GmBGA的图像感测表面上(即，粘合剂滴涂工艺约束，该粘合剂滴涂工艺约束防止由于导致粘合材料流出或流动到图像感测表面上的粘合材料表面张力特性而将粘合材料滴涂到图像感测表面附近的裸片表面上)。图像传感器装置100、200可能在图像传感器IC附接过程中由于拾起筒夹而遭受微透镜的污染，其中，该设计要求减小在整个裸片表面之上的非像素阵列面积。图像传感器装置100、200可能遭受“重像效应”，即，来自键合接线的光反射，其中，该设计要求成像表面更靠近键合焊盘22a-22b。
有利地，图像传感器装置10可以提供一种解决这些问题的方法并且还通过启用先进的设计规则(其中，图像传感器硅设计增大了像素阵列面积与裸片尺寸的纵横比，即，百万像素分辨率)提供了先进的封装结构设计；并且贯穿工艺过程还提供了对像素阵列的保护使其免于遭受污染或损坏(更高的百万像素和较小的尺寸变得对外来材料更加敏感，这可能会减少产量)。应当认识到，图像传感器装置10提供了一种用于处理增大的像素阵列面积与裸片尺寸纵横比的IC，这由于减小的可容许的触点面积而构成在与PNP装置进行组装期间的困难。
此外，图像传感器装置10可以通过在像素阵列上的可移除胶带而不是模制空腔设计来提供空腔形成(使镜头暴露在空气中以接收光)以及由树脂覆盖的其他区域，这将提供提高的质量和产量。此外，图像传感器装置10可以针对GmBGA提供减少的到图像感测表面15上的粘合材料流出、减少的CTE失配(由于硅-胶水-玻璃界面)以及减少的脱层。针对图像性能，图像传感器装置10说明性地包括在多条键合接线23a-23b之上的包封材料18，这可以防止光反射到图像感测表面15上，由此减少了重像效应。
此外，胶带层29a-29c可以在晶片锯切、裸片附接和接线键合工艺过程中防止外来材料污染。胶带层29a-29c可以消除在图像感测表面15上的拾起筒夹(橡胶尖端)污染。可以使用裸片附接膜(DAF)工艺，这可以避免脱层问题。通常，DAF工艺可能需要使筒夹全力接触到裸片上以均匀施压，从而防止气孔或脱层问题。用于制造图像传感器装置10的该方法允许PNP装置的筒夹在放置过程中施加全压力而不损坏图像传感器IC 14a-14c。正面地，图像传感器装置10可以很好地适用于汽车和移动电话应用。
现在另外参照图4，现在描述图像传感器装置10’的另一个实施例。在图像传感器装置10’的本实施例中，以上关于图3已经讨论的那些元件被给予上撇号符号并且大部分无需在此进一步讨论。本实施例与之前的实施例的不同之处在于：此图像传感器装置10’具有BGA类型的触点12a’-12k’而不是图3的实施例的那些平面栅格阵列触点。此外，此图像传感器装置10’不包括来自图3的镜头组件21。
得益于在前述说明书和相关联附图中呈现的教导，本领域技术人员将想到本披露的许多修改和其他实施例。因此，应该理解的是，本发明实施例并不限于所披露的特定实施例，并且修改和实施例旨在包括于所附权利要求书的范围内。

Claims (22)

1.一种图像传感器装置，包括：
互连层；
图像传感器集成电路(IC)，所述图像传感器IC由所述互连层承载并且具有图像感测表面；
包封材料，所述包封材料横向地包围所述图像传感器IC并覆盖所述图像传感器IC的上表面直到所述图像感测表面；
光学板，所述光学板具有由所述包封材料的上表面承载并且与所述图像感测表面相对准的周边下表面，所述光学板在所述图像感测表面上方被间隔开以限定内部空腔；
环形粘合层，与所述光学板的侧面接触，围绕所述光学板，并且将所述光学板固定到所述包封材料的上表面；以及
镜头组件，所述镜头组件耦合至所述包封材料并且与所述图像感测表面相对准，所述环形粘合层在所述镜头组件与所述光学板的侧面之间。
2.如权利要求1所述的图像传感器装置，其中，所述镜头组件与所述光学板的侧面和所述环形粘合层间隔开。
3.如权利要求1所述的图像传感器装置，其中，所述光学板包括红外(IR)滤光片。
4.如权利要求1所述的图像传感器装置，其中，所述光学板包括防反射板。
5.如权利要求1所述的图像传感器装置，其中，所述图像传感器IC包括限定所述图像感测表面的半导体衬底以及在所述半导体衬底上的多个导电键合焊盘。
6.如权利要求5所述的图像传感器装置，进一步包括耦合于所述多个导电键合焊盘与所述互连层之间的多条键合接线。
7.如权利要求1所述的图像传感器装置，其中，所述互连层包括在其中的多条导电迹线以及分别耦合至所述多条导电迹线的多个导电触点。
8.如权利要求1所述的图像传感器装置，进一步包括在所述包封材料中的并且耦合至所述互连层的电子部件。
9.如权利要求1所述的图像传感器装置，进一步包括在所述包封材料与所述镜头组件之间的粘合层。
10.一种图像传感器装置，包括：
互连层；
图像传感器集成电路(IC)，所述图像传感器IC由所述互连层承载并且包括图像感测表面以及在所述图像感测表面上的多个微透镜；
包封材料，所述包封材料横向地包围所述图像传感器IC并覆盖所述图像传感器IC的上表面直到所述图像感测表面；
光学板，所述光学板具有由所述包封材料的上表面承载并且与所述图像感测表面相对准的周边下表面，所述光学板在所述图像感测表面上方被间隔开以限定内部空腔；
环形粘合层，与所述光学板的侧面接触，围绕所述光学板，并且将所述光学板固定到所述包封材料的上表面；
镜头组件，所述镜头组件耦合至所述包封材料并且与所述图像感测表面相对准，所述镜头组件与所述光学板的侧面和所述环形粘合层间隔开，所述环形粘合层在所述镜头组件与所述光学板的侧面之间；以及
粘合层，在所述包封材料与所述镜头组件之间。
11.如权利要求10所述的图像传感器装置，其中，所述光学板包括红外(IR)滤光片。
12.如权利要求10所述的图像传感器装置，其中，所述光学板包括防反射板。
13.如权利要求10所述的图像传感器装置，其中，所述图像传感器IC包括限定所述图像感测表面的半导体衬底以及在所述半导体衬底上的多个导电键合焊盘。
14.如权利要求13所述的图像传感器装置，进一步包括耦合于所述多个导电键合焊盘与所述互连层之间的多条键合接线。
15.如权利要求10所述的图像传感器装置，其中，所述互连层包括在其中的多条导电迹线以及分别耦合至所述多条导电迹线的多个导电触点。
16.一种用于制造图像传感器装置的方法，所述方法包括：
定位图像传感器集成电路(IC)，所述图像传感器IC由互连层承载并且具有图像感测表面；
形成包封材料，所述包封材料横向地包围所述图像传感器IC并且覆盖所述图像传感器IC的上表面直到所述图像感测表面；
定位光学板，所述光学板具有由所述包封材料的上表面承载并且与所述图像感测表面相对准的周边下表面，所述光学板在所述图像感测表面上方被间隔开以限定内部空腔；
形成环形粘合层，所述环形粘合层与所述光学板的侧面接触，围绕所述光学板，并且将所述光学板固定到所述包封材料的上表面；以及
将镜头组件耦合至所述包封材料并且使所述镜头组件与所述图像感测表面相对准，所述环形粘合层在所述镜头组件与所述光学板的侧面之间。
17.如权利要求16所述的方法，其中，所述图像传感器IC包括覆盖所述图像感测表面的胶带层；并且所述方法进一步包括去除所述胶带层以在所述包封材料中限定与所述图像感测表面相对准的凹陷。
18.如权利要求16所述的方法，其中，所述镜头组件与所述光学板的侧面和所述环形粘合层间隔开。
19.如权利要求16所述的方法，其中，所述光学板包括红外(IR)滤光片。
20.如权利要求16所述的方法，其中，所述光学板包括防反射板。
21.如权利要求16所述的方法，其中，所述图像传感器IC包括限定所述图像感测表面的半导体衬底以及在所述半导体衬底上的多个导电键合焊盘。
22.如权利要求21所述的方法，进一步包括将多条键合接线耦合于所述多个导电键合焊盘与所述互连层之间。
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