CN106098717A - 高可靠性芯片封装方法及结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高可靠性芯片封装方法及封装结构，该封装结构包括芯片、开口、金属布线层、若干焊料凸点和塑封层，开口自芯片的正面向背面延伸形成，且开口的底部暴露出芯片的焊垫；金属布线层位于开口的内壁和芯片的背面上，且电性连接焊垫；焊料凸点位于芯片背面上，且与金属布线层电性连接；塑封层包覆住芯片背面及其四个侧面，且暴露芯片背面的焊料凸点。通过形成塑封层对芯片进行防护，且塑封层采用隔潮、防腐或机械强度性能良好的塑封材料，本发明能够进一步增强芯片的可靠性，耐用性，提升芯片的抗干扰能力，满足芯片在恶劣环境下的应用需求。
Description
技术领域
本发明涉及半导体芯片的封装领域，尤其涉及一种高可靠性芯片封装方法及结构。
背景技术
图1示出了一种公知的芯片的封装结构，该芯片以影像传感器为例，包括影像传感芯片100，该影像传感芯片功能面包含影像感应区101及该影像感应区周边的若干焊垫102；开口，该开口由背面向功能面延伸，且开口底部暴露出焊垫；金属布线层130，该金属布线层位于开口内壁及背面，电性连接所述焊垫；绝缘层120，该绝缘层位于金属布线层与影像传感芯片之间，并暴露出焊垫；若干焊料凸点140，该焊料凸点位于影像传感芯片的背面，与金属布线层电性连接；防焊层151，该防焊层覆盖背面及开口内壁，且暴露出焊料凸点。
然而该类芯片的使用环境适宜，若进一步进军汽车、勘探、室外监控等应用领域，需对芯片的灵敏性、可靠性、耐用性等提出更高的要求，以经受恶劣的环境的考验。
发明内容
为了使芯片的可靠性进一步提高，能经受恶劣环境的考验，本发明提出了一种高可靠性芯片封装方法及结构，能够进一步增强芯片的可靠性，耐用性，提升芯片的抗干扰能力。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种高可靠性芯片封装方法，包括以下步骤：
A.提供一具有若干芯片的晶圆，采用晶圆级TSV技术，将晶圆每个芯片正面焊垫的电性通过金属布线层引到背面，并在金属布线层上预设位置制作焊料凸点，将晶圆切割成单颗芯片，完成对芯片的预封装；
B.提供一基板，在基板上表面涂胶，将若干切割后的单颗预封装的芯片正面朝下贴于基板上；
C.对基板上芯片背部及相邻芯片之间的空间进行整体塑封，形成塑封层，该塑封层包裹芯片的背面及四个侧面，并暴露出芯片背面的焊料凸点；
D.拆解掉基板，沿预设的切割线切割塑封层，形成单颗高可靠性芯片封装结构。
进一步的，所述基板上涂的胶具有易拆解特性。
进一步的，切割后的所述预封装芯片以单颗形式转移贴到基板上，或者通过倒膜方式以整个晶圆形式转移贴到基板上。
一种高可靠性芯片封装结构，由上述高可靠性芯片封装方法制作而成，该封装结构包括芯片，所述芯片正面包含功能区和位于所述功能区周边的若干焊垫；所述芯片正面焊垫的电性通过互连结构引到背面设置的焊料凸点；还包括一塑封层，所述塑封层包覆住除芯片正面以外的部分，且暴露出所述焊料凸点。
进一步的，所述互连结构包括若干开口和金属布线层，所述开口自所述芯片背面向正面延伸形成，且所述开口的底部暴露出所述焊垫；所述金属布线层位于所述开口的内壁和所述芯片背面上，且电性连接所述焊垫；所述金属布线层与所述芯片之间设有绝缘层，且所述绝缘层暴露所述焊垫，使所述金属布线层与所述焊垫电性连接；所述焊料凸点位于所述芯片背面上，且与所述金属布线层电性连接。
进一步的，所述芯片为影像传感芯片，所述影像传感芯片正面粘合一保护盖结构，所述保护盖结构包括透光盖板和设于所述影像传感芯片正面和所述透光盖板之间的支撑围堰层，所述支撑围堰层覆盖住所述焊垫，并在功能区即影像感应区位置形成有围堰间隙；所述塑封层包覆住除保护盖结构正面以外的部分。
进一步的，所述塑封层材料厚度大于1微米。
进一步的，所述开口为凹槽、孔或前述的组合，其中凹槽包含直槽和侧壁有一定倾斜角度的凹槽，孔包含直孔和侧壁有一定倾斜角度的孔。
进一步的，所述开口底部在影像传感芯片四周侧面的位置暴露出所述支撑围堰层，所述绝缘层延伸至所述支撑围堰层与其连接。
本发明的有益效果是：
本发明提供一种高可靠性芯片封装方法及结构，首先，采用晶圆级TSV技术，将芯片正面的焊垫通过金属布线层引到芯片的背面，并在金属布线层预设位置制作焊料凸点后，将晶圆切割成单颗芯片，完成对芯片的预封装；然后，将多个单颗预封装芯片功能区朝下，贴到一基板上，进行背部整体塑封，并暴露出焊料凸点，实现信号处理之后信息的传输；最后，对塑封后的塑封层进行切割，形成单颗高可靠性芯片结构。这种封装方法制作的封装结构中，塑封层是一种背部全包围的防护结构，且塑封层的材料具有良好的机械强度性能，或良好的隔潮、防腐、挡烟雾等性能，同时制作过程单颗芯片之间的距离可加大，使得侧面的塑封层加厚，因此，能够进一步增强芯片的可靠性，耐用性等，提升芯片的抗干扰能力。且采用晶圆级TSV技术对芯片进行预封装以及塑封多个单颗预封装芯片的方法，都是先进行整体封装，再切割成单颗芯片，因此，能够降低封装的整体成本。
附图说明
图1为公知的影像传感器芯片的封装结构；
图2为本发明一封装方法步骤a中晶圆预封装后切割成单颗影像传感芯片的结构示意图；
图3为本发明一封装方法步骤b中基板涂胶的结构示意图；
图4为本发明一封装方法步骤b中单颗影像传感芯片正面朝下分散贴于基板上的结构示意图；
图5为本发明一封装方法步骤c后影像传感芯片背部塑封的结构示意图；
图6为本发明一封装方法中步骤c后，拆除基板后的塑封影像传感芯片结构示意图；
图7为本发明一封装方法中步骤d后切割形成的单颗影像传感器的结构示意图；
图8为本发明一结构实施例中预封装影像传感芯片边缘的剖面结构示意图；
图9为本发明另一封装方法中步骤a中晶圆预封装后的结构示意图；
图10为本发明另一封装方法中步骤a中晶圆预封装后切割成单颗芯片的结构示意图；
图11为本发明另一封装方法中步骤b后在晶圆背面贴粘合膜的结构示意图；
图12为本发明另一封装方法中步骤c后芯片正面贴到基板上的结构示意图。
结合附图做以下说明：
100——影像传感芯片 101——影像感应区
102——焊垫 103——介质层
120——绝缘层 130——金属布线层
140——焊料凸点 150——塑封层
151——防焊层 160——支撑围堰层
161——围堰间隙 170——透光盖板
180——胶 190——基板
f1——切割膜 f2——粘合膜
具体实施方式
为使本发明能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。为方便说明，实施例附图的结构中各组成部分未按正常比例缩放，故不代表实施例中各结构的实际相对大小。
本发明高可靠性芯片封装结构的制作方法，包括以下步骤：
a、参见图2，提供一具有若干芯片的晶圆，采用晶圆级TSV技术，将晶圆每个芯片正面焊垫的电性通过金属布线层引到背面，并在金属布线层上预设位置制作焊料凸点后，将晶圆切割成单颗芯片，完成对芯片的预封装；
芯片可以是有源元件(active element)或无源元件(passive elements)、数字电路或模拟电路等集成电路的电子元件(electronic components)、微机电系统(MicroElectroMechanical Systems,MEMS)、微流体系统(micro fluidic systems)、或利用热、光线及压力等物理量变化来测量的物理感测器(physical sensor)、表面声波元件、压力感测器(pressure sensors)，但不以此为限。
作为一种优选实施例，利用光线变化来测量的感测器，影像传感器预封装具体制作过程为，提供一包含若干影像传感芯片100的晶圆，晶圆的功能面为影像传感芯片的正面，晶圆的背面为影像传感芯片的背面，每个影像传感芯片的正面包含影像感应区101及位于该影像感应区周边的若干焊垫102；
在晶圆的功能面上粘合一保护盖结构，所述保护盖结构包括支撑围堰层160和透光盖板170，所述支撑围堰层位于相邻两个影像感应区之间，且在影像感应区位置形成围堰间隙161；
在晶圆的背面形成向功能面延伸的若干开口，开口结构可以为凹槽、孔或前述的组合。开口的形成方法包括干法刻蚀、湿法刻蚀、机械切割和激光划线等，且不以此为限。在开口的内壁和晶圆的背面铺设绝缘层120。使用机械切割、激光烧蚀、干法刻蚀等方法去除开口底部的绝缘层材料，暴露出电性待引出的焊垫102的侧壁或表面。在其他实施例中，暴露焊垫的方法还可以为：在铺设绝缘层120步骤前，先去除开口底部的阻挡材料，使开口的底部暴露出焊垫102。阻挡材料可包含影像传感芯片的硅基底材料或介质层材料，或者前述的组合物等。然后铺设绝缘层120，再去除覆盖在焊垫102位置的绝缘层材料。开口底部或绝缘层120暴露焊垫的方法包括干法刻蚀、湿法刻蚀、曝光显影、机械切割和激光烧蚀等，且不以此为限。在绝缘层上形成金属布线层130，所述金属布线层电性连接所述焊垫，将焊垫的电性引到晶圆的背面；
沿晶圆切割线对晶圆进行切割，形成若干单颗影像传感芯片的预封装结构；
b、参见图3，取一基板190，材质如硅、玻璃、陶瓷、金属等，其尺寸不做限定，匹配各自塑封工艺的设备即可。在基板上表面涂胶180。
参见图4，将步骤a后的若干单颗芯片通过Pick Place方式分散摆放于基板上，该方式是将预封装后的芯片以单颗形式转移贴到基板上，该方式可以重新调节芯片之间的距离。相邻芯片摆放的距离可大于原晶圆相邻芯片之间的距离。并通过胶180固定于基板上，胶180具有临时键合易拆解性质，如通过光照、变温、药水浸泡等方式，可方便的将胶的粘性降低，将基板拆解下来。
c、参见图5，进行芯片背部整体塑封，形成包围每颗芯片的塑封层150，所述塑封层包裹芯片的背面及四个侧面，并暴露出芯片背面的焊料凸点；塑封方式为，在芯片背部压膜，膜层包覆部分焊料凸点，并与芯片背面留有一定间隙，将液态模塑材料填充膜层与芯片背面之间的间隙，固化成型后，去除压膜，并使用等离子体去除渗到焊料凸点上的模塑材料。
d、参见图6，拆解掉基板，沿预设的切割线切割步骤c后的塑封层，形成单颗高可靠性芯片封装结构，参见图7。
作为另一优选实施例，高可靠性影像传感器封装方法，包括以下步骤，a.如图9所示，提供一具有若干芯片的晶圆，晶圆的功能面为影像传感芯片的正面，晶圆的背面为影像传感芯片的背面，每个影像传感芯片的正面包含影像感应区101及位于该影像感应区周边的若干焊垫102；
功能面上粘合一保护盖结构，所述保护盖结构包括支撑围堰层160和透光盖板170，所述支撑围堰层位于相邻两个影像感应区之间，且在影像感应区位置形成围堰间隙161；
采用晶圆TSV技术，将晶圆每个芯片正面焊垫的电性通过金属布线层引到背面。具体为在晶圆的背面形成向功能面延伸的若干开口，开口结构可以为凹槽、孔或前述的组合。开口的形成方法包括干法刻蚀、湿法刻蚀、机械切割和激光划线等，且不以此为限。在开口的内壁和晶圆的背面铺设绝缘层120。使用机械切割、激光烧蚀、干法刻蚀等方法去除开口底部的绝缘层材料，暴露出电性待引出的焊垫102的侧壁或表面。在其他实施例中，暴露焊垫的方法还可以为：在铺设绝缘层120步骤前，先去除开口底部的阻挡材料，使开口的底部暴露出焊垫102。阻挡材料可包含影像传感芯片的硅基底材料或介质层材料，或者前述的组合物等。然后铺设绝缘层120，再去除覆盖在焊垫102位置的绝缘层材料。开口底部或绝缘层120暴露焊垫的方法包括干法刻蚀、湿法刻蚀、曝光显影、机械切割和激光烧蚀等，且不以此为限。
在绝缘层上形成金属布线层130，所述金属布线层电性连接所述焊垫，将焊垫的电性引到晶圆的背面，并在金属布线层上预设位置制作焊料凸点。
如图10所示，将晶圆切割分成独立开的芯片。切割前，在晶圆保护盖结构上贴一切割膜f1，该切割膜除了能减小切割崩角之外，还具有承载作用，且具有一定粘性，使切割后的芯片依旧整齐排列。
b.如图11所示，提供一片粘合膜f2，将晶圆上的芯片背面粘结在粘合膜上；去除晶圆保护盖上的切割膜f1，即进行一次倒膜。
c.参见图12，提供一基板190，在基板190上表面涂胶180，并将粘合膜f2上芯片正面朝下贴于基板190上，去除粘合膜f2。该方式是以整个晶圆形式转移贴到基板上，可以省去贴片设备及单颗贴片操作。
d.对芯片背部及相邻芯片之间的空间进行整体塑封，形成塑封层150，该塑封层150包裹芯片的背面及四个侧面，并暴露出芯片背面的焊料凸点；
e.拆解掉基板190，沿预设的切割线切割塑封层，形成单颗高可靠性芯片封装结构。
如图7所示，为本发明制作的一种高可靠性影像传感器结构，包括影像传感芯片100，影像传感芯片具有正面及与其相对的背面，影像传感芯片正面包含影像感应区101和位于影像感应区周边的若干焊垫102；影像传感芯片正面粘合一保护盖结构，保护盖结构包括透光盖板170和设于影像传感芯片正面和透光盖板之间的支撑围堰层160，支撑围堰层覆盖住焊垫，并在影像感应区位置形成有围堰间隙161；还包括开口、金属布线层130、若干焊料凸点140和塑封层150，开口自影像传感芯片背面向影像传感芯片正面延伸形成，且开口的底部暴露出焊垫；金属布线层位于开口的内壁和影像传感芯片背面上，且电性连接焊垫；焊料凸点位于影像传感芯片背面上，且与金属布线层电性连接；塑封层包覆住影像传感器结构除保护盖正面以外的部分，即影像传感芯片背面、四个侧面及保护盖及支撑围堰层的四个侧面，且暴露出焊料凸点。其中，焊垫102为与外界电信号连接的导电垫，作为影像传感芯片电信号的输入/输出口。
可选的，支撑围堰层160的材料包括高分子聚合物，如本实施例中支撑围堰层的材料为光刻胶，便于光刻形成支撑围堰结构。
可选的，金属布线层130的材料为铝、铜、金、镍、钛、金、锡、铂等的一种或多种。
可选的，开口的结构包括凹槽、孔或前述的组合，参见图1、图7，其中，孔包含直孔和侧壁有一定倾斜角度的孔，即上下孔径不相等的斜孔，形状包括圆孔和方孔等；凹槽包含直槽和侧壁有一定倾斜角度的凹槽，即上下截面尺寸不相等的凹槽。孔、凹槽的组合包括孔与孔、凹槽与凹槽，及孔与凹槽的组合。作为第一种优选的实施例，开口结构可以为一条形凹槽加凹槽底部圆孔的结构，参见图7，凹槽与圆孔的侧壁倾斜，该开口由影像传感芯片背面向影像传感芯片正面延伸，且凹槽的底部对应若干焊垫102，且圆孔底部暴露出需要电性导出的焊垫102。作为第二种优选的实施例，开口结构可以为一条形凹槽结构，参见图1，该凹槽由影像传感芯片背面向影像传感芯片正面延伸，且凹槽的底部对应若干焊垫102，凹槽状开口的底部暴露出需要电性导出的焊垫102。作为第三种优选的实施例，开口的结构可以为直孔，附图未示出，直孔由影像传感芯片背面向影像传感芯片正面延伸，直孔对应每个焊垫，且直孔的底部暴露出需要电性导出的焊垫102。
塑封层150位于影像传感芯片的外围，包覆影像传感芯片的背面和四个侧面，并露出焊料凸点140。优选的，以焊料凸点露出方向为上，影像传感芯片背面上的塑封层高度低于所述焊料凸点的最高点，当然，影像传感芯片背面上的塑封层也可以与焊垫凸起平齐，为了便于影像信号处理之后信息的传输，优选实施方式为塑封层高度低于焊料凸点的最高点，更优的，塑封层的高度与焊料凸点的中心平面平齐。
优选的，塑封层150材料厚度大于1微米。塑封层150为具有良好的机械强度性能和/或隔潮性能和/或防腐性能和/或挡烟雾性能的材料，以进一步提高影像传感器的可靠性，增强其抵抗恶劣环境的能力。
优选的，金属布线层130与影像传感芯片100之间设有绝缘层120，且绝缘层暴露每个焊垫，使金属布线层与所述焊垫电性连接。绝缘层用于实现金属布线层与影像传感芯片之间的电性隔离，绝缘层120的材料包括有机绝缘材料、氧化硅、氮化硅或氧化硅与氮化硅的混合物。
优选的，如图8，为图7影像传感芯片边缘处的剖面结构示意图，绝缘层120与支撑围堰层160连接，包裹影像传感芯片功能结构，如用于保护焊垫及影像传感芯片功能线路的介质层103，使其不会外露。若绝缘层与支撑围堰层选取同类型的材料，可增强两者之间的结合力。
本发明制作的其他高可靠性芯片封装结构，区别于影像传感器芯片的部分为，芯片功能面无支撑围堰和透光盖板，或者由其他介质材料代替支撑围堰和透光盖板。
综上，本发明提供一种高可靠性芯片封装结构及其制作方法，该封装结构的塑封层是一种芯片背面及侧面全包围的防护结构，且塑封层的材料具有良好的机械强度性能，或良好的隔潮、防腐、挡烟雾等性能，因此，能够进一步增强芯片的可靠性，耐用性等，提升芯片的抗干扰能力，满足芯片在恶劣环境下的应用需求。且该制作方法采用的晶圆级TSV技术对芯片进行预封装以及整体塑封多个单颗预封装芯片的方法，都是先进行整体封装，再切割成单颗芯片，因此，能够降低封装的整体成本。
以上实施例是参照附图，对本发明的优选实施例进行详细说明。本领域的技术人员通过对上述实施例进行各种形式上的修改或变更，但不背离本发明的实质的情况下，都落在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种高可靠性芯片封装方法，其特征在于，包括以下步骤：
A.提供一具有若干芯片的晶圆，采用晶圆级TSV技术，将晶圆每个芯片正面焊垫的电性通过金属布线层引到背面，并在金属布线层上预设位置制作焊料凸点，将晶圆切割成单颗芯片，完成对芯片的预封装；
B.提供一基板，在基板上表面涂胶，将若干切割后的单颗预封装的芯片正面朝下贴于基板上；
C.对基板上芯片背部及相邻芯片之间的空间进行整体塑封，形成塑封层，该塑封层包裹芯片的背面及四个侧面，并暴露出芯片背面的焊料凸点；
D.拆解掉基板，沿预设的切割线切割塑封层，形成单颗高可靠性芯片封装结构。
2.根据权利要求1所述的高可靠性芯片封装方法，其特征在于，所述基板上涂的胶具有易拆解特性。
3.根据权利要求1所述的高可靠性芯片封装方法，其特征在于，切割后的所述预封装芯片以单颗形式转移贴到基板上，或者通过倒膜方式以整个晶圆形式转移贴到基板上。
4.一种高可靠性芯片封装结构，其特征在于，由权利要求1或2或3所述的高可靠性芯片封装方法制作，该封装结构包括芯片，所述芯片正面包含功能区和位于所述功能区周边的若干焊垫；所述芯片正面焊垫的电性通过互连结构引到背面设置的焊料凸点；还包括一塑封层，所述塑封层包覆住除芯片正面以外的部分，且暴露出所述焊料凸点。
5.根据权利要求4所述的高可靠性芯片封装结构，其特征在于，所述互连结构包括若干开口和金属布线层，所述开口自所述芯片背面向正面延伸形成，且所述开口的底部暴露出所述焊垫；所述金属布线层位于所述开口的内壁和所述芯片背面上，且电性连接所述焊垫；所述金属布线层与所述芯片之间设有绝缘层，且所述绝缘层暴露所述焊垫，使所述金属布线层与所述焊垫电性连接；所述焊料凸点位于所述芯片背面上，且与所述金属布线层电性连接。
6.根据权利要求5所述的高可靠性芯片封装结构，其特征在于，所述芯片为影像传感芯片，所述影像传感芯片正面粘合一保护盖结构，所述保护盖结构包括透光盖板和设于所述影像传感芯片正面和所述透光盖板之间的支撑围堰层，所述支撑围堰层覆盖住所述焊垫，并在功能区即影像感应区位置形成有围堰间隙；所述塑封层包覆住除保护盖结构正面以外的部分。
7.根据权利要求4所述的高可靠性芯片封装结构，其特征在于，所述塑封层材料厚度大于1微米。
8.根据权利要求5所述的高可靠性芯片封装结构，其特征在于，所述开口为凹槽、孔或前述的组合，其中凹槽包含直槽和侧壁有一定倾斜角度的凹槽，孔包含直孔和侧壁有一定倾斜角度的孔。
9.根据权利要求6所述的高可靠性芯片封装结构，其特征在于，所述开口底部在影像传感芯片四周侧面的位置暴露出所述支撑围堰层，所述绝缘层延伸至所述支撑围堰层与其连接。
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