CN112652638A - 图像传感器芯片级封装及制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于制造图像传感器芯片级封装的方法，包括用临时粘合剂将玻璃晶片接合至包括图像传感器阵列的器件晶片。该方法还包括通过从器件晶片中移除多个传感器间区域中的每个来形成隔离管芯晶片，每个传感器间区域均位于图像传感器阵列的相应一对图像传感器之间。隔离管芯晶片包括多个图像传感器管芯，每个图像传感器管芯均包括接合至玻璃晶片的图像传感器阵列的相应图像传感器。该方法还包括封装隔离管芯晶片以形成封装的管芯晶片；从多个图像传感器管芯中的每个中移除覆盖相应图像传感器的玻璃晶片的相应区域；以及将封装的管芯晶片单体化。
Description
技术领域
本申请涉及一种传感器芯片级封装及制造方法，更具体地，涉及一种图像传感器芯片级封装及制造方法。
背景技术
在诸如独立式数码相机、移动设备、汽车部件和医疗设备的消费设备中的相机模块经常封装在包括透镜组件和图像传感器的芯片级封装(CSP)中。CSP通常包括用于保护图像传感器免受损坏的覆盖玻璃。这种保护是有代价的。消费者为前述消费设备的紧凑性支付额外费用，但覆盖玻璃会增加CSP的高度，这使设备设计者面临保护图像传感器的价值与其增加尺寸的成本之间的权衡。当相机模块捕获图像时，覆盖玻璃还减少了到达图像传感器的光量，这又降低了图像质量。
发明内容
一种用于制造图像传感器芯片级封装的方法，包括用临时粘合剂将玻璃晶片接合至包括图像传感器阵列的器件晶片。该方法还包括通过从器件晶片中除多个传感器间区域中的每个来形成隔离管芯(isolated-die)晶片，每个传感器间区域均于图像传感器阵列的相应一对图像传感器之间。隔离管芯晶片包括多个图像传感器管芯，每个图像传感器管芯均包括接合到玻璃晶片的像传感器阵列的相应图像传感器。该方法还包括(a)封装隔离管芯晶片以形成封装的管芯晶片，(b)从多个图像传感器管芯中的每个中移除覆盖相应图像传感器的玻璃晶片的相应区域，以及(c)将封装的管芯晶片单体化。
一种图像传感器芯片级封装，包括半导体管芯、由模制化合物形成的封装层、以及多个导电元件。半导体管芯具有小于100微米的厚度并且包括图像传感器，该图像传感器配置为检测入射到半导体管芯的顶侧上的光。所述层由模制化合物形成，并且位于半导体管芯的与顶侧相对的底侧上。多个导电元件中的每个(a)均电连接至图像传感器，(b)具有在一百微米和五百微米之间的直径，以及(c)穿过封装层突出。
附图说明
图1描绘实施方式中的包括图像传感器芯片级封装的相机。
图2是实施方式中的第一图像传感器芯片级封装的剖面示意图。
图3和图4分别是实施方式中的第二图像传感器芯片级封装的示意性剖视图和示意性平面图。
图5是在实施方式中可由其形成第二图像传感器芯片级封装的晶片组件的剖视图。
图6是在实施方式中的图5的晶片组件在芯片级封装过程之后的隔离管芯晶片的剖视图。
图7是在实施方式中的图6的隔离管芯晶片在施加封装层之后的封装管芯晶片的剖视图。
图8是在实施方式中的图7的封装管芯晶片从中移除玻璃晶片之后的晶片组件的剖视图。
图9是在实施方式中的图像传感器芯片级封装的剖视图，通过将图7的封装管芯晶片单体化产生多个图像传感器芯片级封装。
图10是示出在实施方式中用于制造图像传感器芯片级封装的第一方法的流程图。
图11是示出在实施方式中用于制造图像传感器芯片级封装的第二方法的流程图。
具体实施方式
图1描述了对场景成像的相机190。相机190包括图像传感器芯片级封装100，其包括像素阵列154。下文中“CSP”表示“图像传感器芯片级封装”。图2和图3分别是CSP 200和CSP 300的剖面示意图，CSP 200和CSP 300中的每个均是CSP 100的示例。图2和图3的剖面示意图每个都平行于由正交方向298X和298Y形成的平面，以下称为x-y平面，其中，正交方向298X和298Y每个都与方向298Z正交。图4是CSP 300的平面示意图。图2、图3和图4在以下描述中一起观察最好。
CSP 200包括器件管芯240、电介质层230和穿过电介质层230突出的多个导电元件232。电介质层230具有底表面231。CSP 300是添加了封装层320的CSP 200。在实施方式中，每个导电元件232均穿过底表面321突出。在实施方式中，一个或多个导电元件232具有与底表面321共面的底表面。电介质层230和器件管芯240具有各自的顶表面239和顶表面249，顶表面239和顶表面249中的每个均可垂直于方向298Z。
器件管芯240包括配置为检测入射到顶表面249上的光的图像传感器250。电介质层230位于器件管芯240的与顶表面249相对的底表面241上，使得底表面241位于电介质层230与顶表面249之间。半导体管芯240具有在实施方式中小于100微米的厚度245。
在实施方式中，每个导电元件232均是焊料凸点或焊球，并且可形成球栅阵列。每个导电元件232均具有直径233，在实施方式中，该直径在一百微米与五百微米之间。
图像传感器250包括由多个像素形成的像素阵列254，并且是像素阵列154的示例。CSP 200还可包括微透镜阵列256。在实施方式中，微透镜阵列256包括多个微透镜，每个微透镜均与像素阵列254的多个像素中的相应一个对准。器件管芯240可以是半导体管芯，并且可由半导体(诸如硅、锗或其组合)形成或包括半导体。
CSP 200还可包括多个接合焊盘238、再分布层235和电介质层230。电介质层230具有底表面231。每个接合焊盘238均可暴露在表面239和表面249中的至少一个上。再分布层235经由各自的接合焊盘238将像素阵列254电连接至导电元件232。每个接合焊盘238均具有尺寸238X和238Y(参见图4)，它们各自为例如100±20μm。在实施方式中，电介质层230是焊接掩模材料，其可以是聚合物。硅通孔可将接合焊盘238电连接至再分布层235，其中通孔部分地延伸通过器件管芯240。
如图3和图4中所示的封装层320可由底部填充材料或模制化合物形成。电介质层230位于封装层320与器件管芯240之间。其中封装层320是模制化合物而不是底部填充材料的实施方式受益于板级可靠性测试中降低的蠕变应变和降低的故障率。当器件管芯240的厚度245较薄，例如小于100微米时，这些益处变得更加显著。在实施方案中，模制化合物在低于其玻璃化转变温度Tg的温度下具有小于15ppm/K的第一热膨胀系数a1，以及在高于Tg的温度下具有小于30ppm/K的第二热膨胀系数a2。转变温度Tg可在140℃与180℃之间。在实施方式中，模制化合物可包括无机填充剂，其使得封装层320能够具有更接近于器件管芯240的热膨胀系数。模制化合物中的无机填充剂的质量分数可在70％与80％之间。在实施方式中，模制化合物具有超过24GPa的杨氏模量和/或包括环氧树脂、催化剂和脱模剂。模制化合物的上述候选特征中的每个均有助于CSP 300具有改进的板级可靠性。
图5是晶片组件500的剖视图，晶片组件500包括用临时粘合剂560接合至器件晶片540的玻璃晶片570。器件晶片540包括图像传感器250的阵列，使得器件晶片540可单体化以产生多个器件管芯240，如图2所示。器件晶片540在方向298Z上具有厚度545，厚度545小于100微米。在图5中，图像传感器250的阵列平行于x-y平面。玻璃晶片570具有底表面571。在实施方式中，临时粘合剂560是热剥离胶带。器件晶片540包括多个传感器间区域542，每个传感器间区域542均位于相应的一对相邻图像传感器250之间。
图6是隔离管芯晶片600的剖视图，隔离管芯晶片600是在晶片级芯片级封装过程之后的晶片组件500，晶片级芯片级封装过程从器件晶片540产生多个CSP 200。晶片级芯片级封装过程包括移除传感器间区域542。隔离管芯晶片600包括用临时粘合剂560接合至多个CSP 200的玻璃晶片570。每个CSP 200均具有底表面251，在实施方式中，该底表面251包括电介质层230的底表面231。
图7是封装管芯晶片700的剖视图，其是在施加封装层720之后的隔离管芯晶片600。封装层720可施加至每个CSP 200的相应底表面251和临时粘合剂560中的至少一个。在实施方式中，例如当临时粘合剂560中的间隙对应于相邻CSP 200之间的底表面571的一个或多个区域时，封装层720也被施加至所述区域。封装层720具有底表面721。在实施方式中，每个CSP 200的导电元件232穿过底表面721突出，例如，当通过传递模制施加封装层720时。在实施方式中，一个或多个导电元件232与底表面721共面。
图8是晶片组件800的剖视图，该晶片组件800是在移除玻璃晶片570之后的封装管芯晶片700。从封装管芯晶片700移除玻璃晶片570还可包括移除临时粘合剂560，使得晶片组件800缺少临时粘合剂560，如图8中所示。在实施方式中，晶片组件800包括临时粘合剂560。
封装层720类似于CSP 300的封装层320，因此具有与CSP 300的封装层320相同的材料特性。在封装管芯晶片700或晶片组件800单体化之后，每个封装层320均对应于封装层720的相应部分。
图9是CSP 900的剖视图，其中多个CSP 900是通过封装管芯晶片700的单体化产生的。CSP 900包括CSP 200，CSP 200具有用临时粘合剂960接合的覆盖玻璃970。覆盖玻璃970对应于接合至一个CSP200的玻璃晶片570的区域，该区域在封装管芯晶片700单体化之后保持接合至一个CSP 200。临时粘合剂960是临时粘合剂560的一部分。
图10是示出用于制造图像传感器芯片级封装的方法1000的流程图。方法1000包括步骤1030、1040、1050和1060。在实施方式中，方法1000还包括步骤1010、1020和1070中的至少一个。
步骤1010包括用临时粘合剂将玻璃晶片接合至包括图像传感器阵列的器件晶片。在步骤1010的示例中，临时粘合剂560将玻璃晶片570接合至器件晶片540。
步骤1020包括将器件晶片的厚度减小到小于100微米。在实施方式中，通过以下过程中的一种来减薄器件晶片：机械研磨，化学机械抛光(或平坦化)，湿法蚀刻和大气下游等离子体干化学蚀刻(ADP-DCE)。在步骤1020示例中，器件晶片540在方向298Z上的厚度545减小到小于100微米。
步骤1030包括从器件晶片移除多个传感器间区域中的每个，每个传感器间区域均位于图像传感器阵列的相应一对图像传感器之间。移除传感器间区域产生了包括多个图像传感器管芯的隔离管芯晶片，每个图像传感器管芯均包括图像传感器阵列的相应图像传感器。每个图像传感器管芯均接合至玻璃晶片，但是以其它方式与所有其它图像传感器管芯隔离。在步骤1030的示例中，从器件晶片540移除传感器间区域542以产生隔离管芯晶片600。
步骤1040包括封装隔离管芯晶片以形成封装管芯晶片。在步骤1040的示例中，用封装层720封装隔离管芯晶片600，这产生封装管芯晶片700。在实施方式中，封装材料是底部填充材料。在实施方式中，封装材料是模制化合物，其进行压缩模制或转移模制，以填充由步骤1030产生的相邻隔离管芯之间的体积。步骤1040可包括平坦化过程，使得封装层的底表面(例如，底表面721)是平坦的。
步骤1050包括从多个图像传感器管芯中的每个移除覆盖相应图像传感器的玻璃晶片的相应区域。在实施方式中，步骤1050包括将玻璃晶片从封装管芯晶片上移除的步骤1052。在这样的实施方式中，单个处理步骤从其相应的图像传感器管芯移除玻璃晶片的每个区域。在步骤1050和1052的示例中，玻璃晶片570从封装管芯晶片700中移除，这产生晶片组件800。
步骤1060包括将封装管芯晶片单体化，这可产生图像传感器芯片级封装。在步骤1060的示例中，在执行步骤1052之后进行单体化，并且将晶片组件800单体化以产生多个CSP 200。步骤1070包括将图像传感器芯片级封装表面安装至印刷电路板。在步骤1070的示例中，将一个或多个CSP 200中的每个均表面安装至相应的印刷电路板。
图11是示出用于制造图像传感器芯片级封装的方法1100的流程图。方法1100包括步骤1110和1160，以及在实施方式中，包括步骤1170和1180中的至少一个。
步骤1110包括通过执行方法1000的步骤1010、1020、1030和1040来形成封装管芯晶片。在步骤1110的示例中，如方法1000的上述描述中所述，形成封装管芯晶片700。
步骤1160包括将封装管芯晶片和接合到其上的玻璃晶片单体化。在实施方式中，步骤1160产生其上接合有覆盖玻璃的图像传感器芯片级封装。覆盖玻璃对应于覆盖由步骤1160产生的图像传感器芯片级封装的图像传感器的玻璃晶片的相应区域。在步骤1160的示例中，将封装管芯晶片700单体化以形成多个CSP 900，如图9所示。
步骤1170包括将图像传感器芯片级封装表面安装至印刷电路板。在步骤1170的示例中，将一个或多个CSP 900中的每个均表面安装至相应的印刷电路板。
步骤1180包括将覆盖玻璃从图像传感器芯片级封装移除，并且可在步骤1170之后执行。步骤1180还可包括从CSP 900移除临时粘合剂。在步骤1180的示例中，从CSP 900移除覆盖玻璃970。在该示例中，临时粘合剂960也可被移除。
特征的组合
在不脱离本公开的范围的情况下，上述特征以及下面要求保护的那些特征可以以各种方式组合。以下列举的示例示出一些可能的非限制性组合：
(A1)一种用于制造图像传感器芯片级封装的方法，包括：用临时粘合剂将玻璃晶片接合至包括图像传感器阵列的器件晶片。该方法还包括通过从器件晶片移除多个传感器间区域中的每个来形成隔离管芯晶片，每个传感器间区域均位于图像传感器阵列的相应一对图像传感器之间。隔离管芯晶片包括多个图像传感器管芯，每个图像传感器管芯均包括接合至玻璃晶片的图像传感器阵列的相应图像传感器。该方法还包括：封装隔离管芯晶片以形成封装管芯晶片；从多个图像传感器管芯中的每个移除覆盖相应图像传感器的玻璃晶片的相应区域；以及将封装管芯晶片单体化。
(A2)在方法(A1)中，移除玻璃晶片的相应区域可包括：从隔离管芯晶片移除玻璃晶片，并且将封装管芯晶片单体化可在从隔离管芯晶片移除玻璃晶片之后进行。
(A3)方法(A2)还可包括：当单体化步骤产生图像传感器芯片级封装，并且在移除玻璃晶片的相应区域的步骤之后且在单体化之后：将图像传感器芯片级封装表面安装至印刷电路板。
(A4)在任一方法(A1)中，单体化步骤可在移除玻璃晶片的相应区域的步骤之前进行，并且可包括将封装管芯晶片和接合到其上的玻璃晶片二者单体化，并且产生具有接合到其上的覆盖玻璃的图像传感器芯片级封装，其中，覆盖玻璃对应于玻璃晶片的相应区域。
(A5)方法(A4)还可包括：在单体化步骤之后且在移除玻璃晶片的相应区域的步骤之前，将图像传感器芯片级封装表面安装至印刷电路板。
(A6)方法(A1)至(A5)中的任一个还可包括：在接合步骤之后，将器件晶片的厚度减小至小于100微米。
(A7)在方法(A1)至(A6)中的任一个中，封装隔离管芯晶片的步骤可包括用模制化合物封装隔离管芯晶片。
(A8)在任一方法(A7)中，用模制化合物封装隔离管芯晶片的步骤可包括：压缩模制和传递模制所述模制模制化合物中的一种。
(B1)一种图像传感器芯片级封装，包括：半导体管芯、由模制化合物形成的封装层、以及多个导电元件。半导体管芯具有小于100微米的厚度，并且包括图像传感器，该图像传感器配置为检测入射到半导体管芯的顶侧上的光。所述层由模制化合物形成且位于半导体管芯的与顶侧相对的底侧。多个导电元件中的每个均(a)电连接至图像传感器，(b)具有在一百微米与五百微米之间的直径，以及(c)穿过封装层突出。
以下列举的特性P1至P4中的至少一个可适用于方法(A7)和(A8)以及图像传感器芯片级封装(B1)中的任一个的模制化合物：
P1：模制化合物在低于其玻璃化转变温度Tg的温度下具有小于15ppm/K的第一热膨胀系数a1，以及在高于Tg的温度下具有小于30ppm/K的第二热膨胀系数a2。
P2：模制化合物具有超过24GPa的杨氏模量。
P3：模制化合物是环氧树脂，催化剂和脱模剂，或包括环氧树脂，催化剂和脱模剂。
P4：模制化合物包括无机填充剂，该无机填充剂的质量分数在70％至80％之间。
在不脱离本公开的范围的情况下，可在上述方法和系统中进行改变。因此，应当注意，包含在上述描述中或附图中所示的内容应当被解释为说明性的，而不是限制性的。在本文中，除非另有说明，否则：(a)形容词“示例性的”意指用作示例、实例或说明；以及(b)短语“在实施方式中”等同于短语“在某些实施方式中”，并且不是指所有实施方式。以下权利要求旨在涵盖本文所述的所有通用和特定特征，以及本方法和系统范围的所有陈述，因语言问题，可以说这些陈述属于其间。
Claims (18)
1.一种用于制造图像传感器芯片级封装的方法，包括：
用临时粘合剂将玻璃晶片接合至包括图像传感器阵列的器件晶片；
从所述器件晶片中移除多个传感器间区域中的每个，每个传感器间区域均位于所述图像传感器阵列的相应的一对图像传感器之间，以形成隔离管芯晶片，所述隔离管芯晶片包括多个图像传感器管芯，每个图像传感器管芯均包括接合至所述玻璃晶片的所述图像传感器阵列的相应图像传感器；
封装所述隔离管芯晶片，以形成封装管芯晶片；
从所述多个图像传感器管芯的每个中移除覆盖所述相应图像传感器的所述玻璃晶片的相应区域；以及
将所述封装管芯晶片单体化。
2.根据权利要求1所述的方法，移除所述玻璃晶片的相应区域包括：从所述隔离管芯晶片移除所述玻璃晶片，并且在从所述隔离管芯晶片移除所述玻璃晶片之后，进行将所述封装管芯晶片单体化。
3.根据权利要求2所述的方法，所述单体化产生所述图像传感器芯片级封装，并且所述方法还包括：在移除所述玻璃晶片的相应区域之后且在所述单体化之后，将所述图像传感器芯片级封装表面安装至印刷电路板。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述单体化发生在移除所述玻璃晶片的相应区域之前，并且包括：将所述封装管芯晶片和接合至所述封装管芯晶片的所述玻璃晶片二者单体化，并产生具有覆盖玻璃的所述图像传感器芯片级封装，所述覆盖玻璃(a)接合至所述图像传感器芯片级封装，以及(b)对应于所述玻璃晶片的所述相应区域。
5.根据权利要求4所述的方法，还包括：在所述单体化之后和移除所述玻璃晶片的所述相应区域之前，将所述图像传感器芯片级封装表面安装至印刷电路板。
6.根据权利要求1所述的方法，还包括：在所述接合之后，将所述器件晶片的厚度减小到小于100微米。
7.根据权利要求1所述的方法，封装所述隔离管芯晶片包括：用模制化合物封装所述隔离管芯晶片。
8.根据权利要求7所述的方法，用模制化合物封装所述隔离管芯晶片包括以下中的一个：压缩模制所述模制化合物和传递模制所述模制化合物。
9.根据权利要求7所述的方法，所述模制化合物在低于其玻璃化转变温度Tg的温度下具有小于15ppm/K的第一热膨胀系数a1，以及在高于Tg的温度下具有小于30ppm/K的第二热膨胀系数a2。
10.根据权利要求7所述的方法，所述模制化合物具有超过24GPa的杨氏模量。
11.根据权利要求7所述的方法，所述模制化合物包括环氧树脂、催化剂和脱模剂。
12.根据权利要求7所述的方法，所述模制化合物包括无机填充剂，所述无机填充剂的质量分数在70％与80％之间。
13.一种图像传感器芯片级封装，包括：
半导体管芯，具有小于100微米的厚度，并且包括图像传感器，所述图像传感器配置为检测入射到所述半导体管芯的顶侧上的光；
封装层，由模制化合物形成，且位于所述半导体管芯的与所述顶侧相对的底侧；以及
多个导电元件，每个导电元件均(a)电连接至所述图像传感器，(b)直径在一百微米与五百微米之间，以及(c)穿过所述封装层突出。
14.根据权利要求13所述的图像传感器芯片级封装，所述模制化合物在低于其玻璃化转变温度Tg的温度下具有小于15ppm/K的第一热膨胀系数a1，以及在高于Tg的温度下具有小于30ppm/K的第二热膨胀系数a2。
15.根据权利要求14所述的图像传感器芯片级封装，其中，玻璃化转变温度Tg在140℃与180℃之间。
16.根据权利要求13所述的图像传感器芯片级封装，所述模制化合物具有超过24GPa的杨氏模量。
17.根据权利要求13所述的图像传感器芯片级封装，所述模制化合物包括环氧树脂、催化剂和脱模剂。
18.根据权利要求13所述的图像传感器芯片级封装，所述模制化合物包括无机填充剂，所述无机填充剂的质量分数在70％与80％之间。
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