CN114678388A - 一种cmos图像传感器芯片封装方法和封装结构 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种CMOS图像传感器芯片封装方法和封装结构。该封装方法包括：在玻璃基板的第一侧表面形成围堰；将晶圆与玻璃基板对位，对位状态下围堰将玻璃基板与晶圆之间划分形成多个第一空腔，CMOS图像传感器感光区一一对应位于第一空腔中；在真空环境下，对晶圆与玻璃基板进行真空键合；对键合后的晶圆进行切割，形成多个CMOS图像传感器芯片；将CMOS图像传感器芯片贴合固定在衬底基板上，并将焊垫通过引线键合实现电气连接。本发明的技术方案，通过晶圆级胶键合方式解决了玻璃与芯片贴合时的精度不足问题，能够减少空腔内的可移动颗粒物，综合提高了芯片光学成像性能，实现了一种车载高可靠的CIS模块封装结构。
Description
技术领域
本发明实施例涉及半导体封装技术，尤其涉及一种CMOS图像传感器芯片封装方法和封装结构。
背景技术
硅通孔-互补金属氧化物半导体图像传感器(Through Silicon Via-Complementary Metal Oxide Semiconductor Image Sensor，TSV-CIS)工艺是目前先进的CMOS图像传感器封装的技术之一，此项技术解决了封装尺寸大和封装成本较高的问题，但其光学成像性能和可靠性相对较差，无法满足汽车电子的使用要求。
与再布线和微凸点阵列互连技术相比，金线超声焊键合的可靠性更高，基于金线键合的COB封装技术采用IR玻璃滤除红外光，提高了芯片的光学成像性能，但同时引入了IR玻璃贴片精度不足和可移动颗粒影响光学成像性能的问题。
发明内容
本发明提供一种CMOS图像传感器芯片封装方法和封装结构，以弥补TSV-CIS工艺和COB技术的缺点，避免颗粒杂质对芯片光学成像性能的影响。
第一方面，本发明实施例提供了一种CMOS图像传感器芯片封装方法，包括：
在玻璃基板的第一侧表面形成围堰；
将晶圆与所述玻璃基板对位，所述晶圆上形成有多个CMOS图像传感器，且对位状态下所述围堰将所述玻璃基板与所述晶圆之间划分形成多个第一空腔，所述图像传感器包括感光区，所述CMOS图像传感器的感光区一一对应位于所述第一空腔中；
在真空环境下，对对位的所述晶圆与所述玻璃基板进行真空键合；
对键合后的所述晶圆进行切割，形成多个CMOS图像传感器芯片；
将所述CMOS图像传感器芯片上的晶圆一侧表面贴合固定在衬底基板上，并将所述CMOS图像传感器芯片和所述衬底基板上的焊垫通过引线键合实现电气连接。
可选地，在玻璃基板的第一侧表面形成围堰，包括：
在所述玻璃基板的第一侧表面贴附干膜；
利用所述干膜，对所述玻璃基板的第一侧表面进行光刻处理形成所述围堰。
可选地，在玻璃基板的第一侧表面形成围堰之前，还包括：
在所述玻璃基板的第二侧表面贴附保护膜，所述第一侧表面与所述第二侧表面相互背离；
对键合后的所述晶圆进行切割，形成多个CMOS图像传感器芯片之前，还包括：
将所述保护膜从所述玻璃基板上剥离。
可选地，将晶圆与所述玻璃基板对位之前，还包括：
采用滚胶或丝网印刷工艺，在所述围堰上涂覆环氧树脂胶。
可选地，在真空环境下，对对位的所述晶圆与所述玻璃基板进行真空键合之后，还包括：
对所述晶圆背离所述玻璃基板的一侧表面进行减薄处理。
可选地，将所述CMOS图像传感器芯片上的晶圆一侧表面贴合固定在衬底基板上，并将所述CMOS图像传感器芯片和所述衬底基板上的焊垫通过引线键合实现电气连接之后，还包括：
在所述CMOS图像传感器芯片上安装密封框架，所述密封框架与所述玻璃基板和所述衬底基板形成第二空腔，所述CMOS图像传感器芯片和所述衬底基板上的焊垫以及所述引线位于所述第二空腔中。
可选地，将所述CMOS图像传感器芯片上的晶圆一侧表面贴合固定在衬底基板上，并将所述CMOS图像传感器芯片和所述衬底基板上的焊垫通过引线键合实现电气连接之后，还包括：
在所述CMOS图像传感器芯片和所述衬底基板上的焊垫以及所述引线上进行点胶或塑封处理，形成密封结构覆盖所述焊垫和所述引线。
可选地，将所述CMOS图像传感器芯片上的晶圆一侧表面贴合固定在衬底基板上，并将所述CMOS图像传感器芯片和所述衬底基板上的焊垫通过引线键合实现电气连接之后，还包括：
在所述衬底基板背离所述CMOS图像传感器芯片的一侧表面植球。
第二方面，本发明实施例还提供了一种CMOS图像传感器芯片封装结构，包括衬底基板和CMOS图像传感器芯片，所述CMOS图像传感器芯片贴合固定于所述衬底基板上；所述CMOS图像传感器芯片和所述衬底基板上的焊垫通过引线键合；
所述CMOS图像传感器芯片包括晶片和玻璃基板，所述玻璃基板位于所述晶片背离所述衬底基板的一侧；
所述晶片上形成有CMOS图像传感器，所述玻璃基板朝向所述晶片的一侧表面形成有围堰，所述晶片、所述玻璃基板和所述围堰形成第一空腔，所述第一空腔为真空腔；所述图像传感器包括感光区，所述CMOS图像传感器的感光区位于所述第一空腔中。
可选地，包括塑封结构，所述塑封结构覆盖所述焊垫和所述引线。
本发明实施例中，首先通过在玻璃基板的第一侧表面形成围堰；其次将晶圆与玻璃基板对位，晶圆上形成有多个CMOS图像传感器，且对位状态下围堰将玻璃基板与晶圆之间划分形成多个第一空腔，CMOS图像传感器的感光区一一对应位于第一空腔中；然后在真空环境下，对对位的晶圆与玻璃基板进行真空键合；继而对键合后的晶圆进行切割，形成多个CMOS图像传感器芯片；最后将CMOS图像传感器芯片上的晶圆一侧表面贴合固定在衬底基板上，并将CMOS图像传感器芯片和衬底基板上的焊垫通过引线键合实现电气连接，实现了对CMOS图像传感器芯片的制备和封装过程。本发明的技术方案，弥补了TSV-CIS工艺和COB技术的缺点，通过晶圆级胶键合方式解决了玻璃与芯片贴合时的精度不足问题，利用玻璃基板表面形成的围堰结构，能够精准控制空腔大小，有助于减少空腔的体积，从而一定程度上减少空腔内的可移动颗粒物，同时真空键合工艺大幅度降低了玻璃与芯片感光区域间空腔内的可移动颗粒物数量，在10级洁净度的制造环境下，可将可移动颗粒物从COM技术对应的1000ppm降低至50ppm，降低2位数量级，综合提高了芯片光学成像性能，实现了一种车载高可靠的CIS模块封装结构。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种CMOS图像传感器芯片的封装方法的流程图；
图2是图1所示CMOS图像传感器芯片的封装方法的结构流程图；
图3是本发明实施例提供的一种图像传感器芯片封装结构的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的另一种图像传感器芯片封装结构的结构示意图；
图5是本发明实施例提供的另一种CMOS图像传感器芯片的封装方法的流程图；
图6是图5所示CMOS图像传感器芯片的封装方法的结构流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
图1是本发明实施例提供的一种CMOS图像传感器芯片的封装方法的流程图，图2是图1所示CMOS图像传感器芯片的封装方法的结构流程图，参考图1和图2，该封装方法包括：
S110、在玻璃基板的第一侧表面形成围堰；
参考图2的a)图，其中，围堰3是玻璃基板2本体上形成的凸起的图案结构，此步骤在玻璃基板2的表面形成围堰3的过程，实际是对玻璃基板2表面进行图案化的过程，该围堰3的作用是与晶圆1形成空腔结构，用于封闭晶圆1上的CMOS图像传感器的感光区11。
S120、将晶圆与玻璃基板对位，晶圆上形成有多个CMOS图像传感器，且对位状态下围堰将玻璃基板与晶圆之间划分形成多个第一空腔，图像传感器包括感光区，CMOS图像传感器的感光区一一对应位于第一空腔中；
参考图2的b)图，晶圆1上形成的CMOS图像传感器，实质是在晶圆1上通过刻蚀等工艺形成集成电路的过程，该集成电路作为图像传感器具有感光区11，外界光线透过玻璃基板2入射至该感光区11后，集成电路会形成感光信号，实现感光功能，即构成CMOS图像传感器。
此步骤中晶圆1与玻璃基板2对位的过程，实质是将围堰3与晶圆1上的CMOS图像传感器的感光区11对位的过程，围堰3设置的目的即用于对晶圆1上的每个CMOS图像传感器的感光区11进行分别封闭，围堰3可理解为墙体结构，在晶圆1和玻璃基板2相互层叠的基础上，利用该墙体结构可形成腔体，从而将CMOS图像传感器的感光区11容置其中。在实际对位过程中可以在晶圆1和玻璃基板2上分别设置对位标记，利用对位标记的对准过程，实现围堰3与CMOS图像传感器的感光区11的对位。
S130、在真空环境下，对对位的晶圆与玻璃基板进行真空键合；
参考图2的b)图，此过程利用真空环境下对晶圆和玻璃基板进行键合的过程，实际是将第一空腔设置为真空腔的过程，实际制备过程中，可利用晶圆真空键合机对上述晶圆和玻璃基板进行真空键合操作。需要说明的是，在步骤S120中，由于仅仅是将晶圆1和玻璃基板2对位，其形成的第一空腔并非完全的密封腔，在真空环境下键合时，实际上也是抽取第一空腔中空气的过程。在完成键合后，第一空腔会形成真空腔，腔内的空气以及灰尘杂质等颗粒会被抽出，以此可以保证第一空腔的洁净度，避免最终制备的产品由于灰尘颗粒等影响光学性能。
S140、对键合后的晶圆进行切割，形成多个CMOS图像传感器芯片；
参考图2的c)图，如上S130及其之前的步骤实质是对晶圆1的整体处理过程，该整体处理的过程可以同时批量制备多个CMOS图像传感器芯片100，而该步骤S140则是将批量的CMOS图像传感器芯片100分割的过程。需要说明的是，图2中仅以两个为例，实际制备过程中，晶圆1上的CMOS图像传感器数量较多。由此，通过批量的处理，可以节省制备工序，减少制造成本。而且，由于是整体的对位和键合，其品控更便捷，有助于改善对位的精度，保证玻璃和CMOS图像传感器的一一对应关系。
S150、将CMOS图像传感器芯片上的晶圆一侧表面贴合固定在衬底基板上，并将CMOS图像传感器芯片和衬底基板上的焊垫通过引线键合实现电气连接。
参考图2的d)图，该步骤实质是利用引线5将CMOS图像传感器芯片的引脚引出的过程，引线5两端分别连接CMOS图像传感器芯片100和衬底基板4的焊垫6和7，则该最终形成的CMOS图像传感器芯片100可利用衬底基板4上的焊垫6和7作为引脚，与外部电路等进行电连接，保证芯片的正常工作。
本发明实施例中，首先通过在玻璃基板的第一侧表面形成围堰；其次将晶圆与玻璃基板对位，晶圆上形成有多个CMOS图像传感器，且对位状态下围堰将玻璃基板与晶圆之间划分形成多个第一空腔，CMOS图像传感器的感光区一一对应位于第一空腔中；然后在真空环境下，对对位的晶圆与玻璃基板进行真空键合；继而对键合后的晶圆进行切割，形成多个CMOS图像传感器芯片；最后将CMOS图像传感器芯片上的晶圆一侧表面贴合固定在衬底基板上，并将CMOS图像传感器芯片和衬底基板上的焊垫通过引线键合实现电气连接，实现了对CMOS图像传感器芯片的制备和封装过程。本发明的技术方案，弥补了TSV-CIS工艺和COB技术的缺点，通过晶圆级胶键合方式解决了玻璃与芯片贴合时的精度不足问题，利用玻璃基板表面形成的围堰结构，能够精准控制空腔大小，有助于减少空腔的体积，从而一定程度上减少空腔内的可移动颗粒物，同时真空键合工艺大幅度降低了玻璃与芯片感光区域间空腔内的可移动颗粒物数量，在10级洁净度的制造环境下，可将可移动颗粒物从COM技术对应的1000ppm降低至50ppm，降低2位数量级，综合提高了芯片光学成像性能，实现了一种车载高可靠的CIS模块封装结构。
基于上述封装方法，本发明实施例还提供一种CMOS图像传感器的封装结构。图3是本发明实施例提供的一种图像传感器芯片封装结构的结构示意图，参考图3，该封装结构包括衬底基板4和CMOS图像传感器芯片100，CMOS图像传感器芯片100贴合固定于衬底基板4上；CMOS图像传感器芯片100和衬底基板4上的焊垫6和7通过引线5键合；CMOS图像传感器芯片包括晶片10和玻璃基板2，玻璃基板2位于晶片10背离衬底基板4的一侧；晶片10上形成有CMOS图像传感器，玻璃基板2朝向晶片10的一侧表面形成有围堰3，晶片10、玻璃基板2和围堰3形成第一空腔，第一空腔为真空腔，图像传感器包括感光区11，CMOS图像传感器的感光区11位于第一空腔中。其中，晶片10实质为切割后的晶圆。
可选地，该封装结构中的玻璃基板可采用红外玻璃。采用红外玻璃，可以增加对红外光的滤除，使得CMOS图像传感器芯片100对外界图像的采集免受红外光的干扰，从而可以提高其光学性能。
需要说明的是，在上述封装方法基础上，本发明其他实施例中可选对CMOS图像传感器芯片进行进一步封装。
继续参考图2和图3，可选地，在上述步骤S140之后，还包括：S151、在CMOS图像传感器芯片上安装密封框架，密封框架与玻璃基板和衬底基板形成第二空腔，CMOS图像传感器芯片和衬底基板上的焊垫以及引线位于第二空腔中。
由此，该封装结构中还包括密封框架81，密封框架81与玻璃基板2和衬底基板4形成第二空腔，CMOS图像传感器芯片100和衬底基板4上的焊垫6和7以及引线5位于第二空腔中。
其中，衬底基板4为CMOS图像传感器芯片100的下表面保护结构，密封框架81则是CMOS图像传感器芯片100的上表面保护的结构，并且，密封框架81与衬底基板4可构成完整的封装结构对CMOS图像传感器芯片100进行保护。
图4是本发明实施例提供的另一种图像传感器芯片封装结构的结构示意图，参考图4，在本发明的另一实施例中，为了使封装结构更加牢固，还可在上述步骤S140之后，设置包括如下步骤：S152、在CMOS图像传感器芯片和衬底基板上的焊垫以及引线上进行点胶或塑封处理，形成密封结构覆盖焊垫和引线。
由此，该封装结构中还包括塑封结构82，塑封结构82覆盖焊垫6和7和引线5。其中，点胶或塑封处理均是对裸露的引线以及焊垫进行精准封装的过程，其所形成的密封结构82不仅可以对引线5和焊垫6和7进行有效密封，还能够利用胶体或塑封材料固化后的高致密性，提高封装结构可靠性和强度。
继续参考图4，在本发明的可选实施例中，考虑到整个封装结构与外部电路的连接，还可在上述步骤S140之后设置包括如下步骤：S160、在衬底基板背离CMOS图像传感器芯片的一侧表面植球。此时，该封装结构中还包括锡球9，锡球9位于衬底基板4背离CMOS图像传感器芯片的一侧表面。其中，锡球9可通过走线、焊盘等与外界电路实现焊接，从而将该CMOS图像传感器芯片集成到外部电路中。
基于上述封装方法和封装结构，本发明实施例还提供了具体的实现方式。
图5是本发明实施例提供的另一种CMOS图像传感器芯片的封装方法的流程图，图6是图5所示CMOS图像传感器芯片的封装方法的结构流程图，参考图5和图6，该封装方法包括：
S201、在玻璃基板的第二侧表面贴附保护膜，第一侧表面与第二侧表面相互背离。
参考图6的a)图，此处第二侧表面和第一侧表面表示玻璃基板的两个表面，在第一侧表面制备围堰前，在第二侧表面贴附保护膜，目的是将玻璃基板的第二侧表面保护起来，避免在后续的封装制备过程中损伤玻璃基板，防止损伤影响光学性能。
S202、在玻璃基板的第一侧表面贴附干膜。
S203、利用干膜，对玻璃基板的第一侧表面进行光刻处理形成围堰。
参考图6的b)图和c)图，上述步骤S202和S203为实际制备时形成围堰3的具体过程，在光刻过程中，其上贴附的干膜可以在曝光显影后形成围堰图案。
S204、采用滚胶或丝网印刷工艺，在围堰上涂覆环氧树脂胶。
可参考图6的c)图，环氧树脂胶用于将晶圆与玻璃基板进行贴合，保证键合前晶圆和玻璃基板之间的相互固定，在真空键合后保证第一空腔的密闭性，避免晶圆和玻璃基板键合后的相对移动。
S205、将晶圆与玻璃基板对位，晶圆上形成有多个CMOS图像传感器，且对位状态下围堰将玻璃基板与晶圆之间划分形成多个第一空腔，图像传感器包括感光区，CMOS图像传感器的感光区一一对应位于第一空腔中。
S206、在真空环境下，对对位的晶圆与玻璃基板进行真空键合。
此步骤S205和S206可参考图6的d)图，具体过程此处不再赘述。
S207、对晶圆背离玻璃基板的一侧表面进行减薄处理。
参考图6的e)图，此处的减薄处理主要是由于晶圆厚度一般较厚，会影响最终制备形成的芯片的厚度及尺寸，减薄处理后的晶片的厚度可选在200～300μm。
S208、将保护膜从玻璃基板上剥离。
可参考图6的e图，剥离保护膜的过程可根据保护膜的材料特性来操作，具体地，以保护膜为uv膜为例，可通过照射紫外光来降低uv膜的粘性，从而将保护膜从剥离基板上脱离。
S209、对键合后的晶圆进行切割，形成多个CMOS图像传感器芯片。
S210、将CMOS图像传感器芯片上的晶圆一侧表面贴合固定在衬底基板上，并将CMOS图像传感器芯片和衬底基板上的焊垫通过引线键合实现电气连接。
S211、在CMOS图像传感器芯片和衬底基板上的焊垫以及引线上进行点胶或塑封处理，形成密封结构覆盖焊垫和引线。
S212、在衬底基板背离CMOS图像传感器芯片的一侧表面植球。
上述S209-S212四个步骤，可参考图6的f)-i)图，此处不再赘述。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互结合和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (10)
1.一种CMOS图像传感器芯片封装方法，其特征在于，包括：
在玻璃基板的第一侧表面形成围堰；
将晶圆与所述玻璃基板对位，所述晶圆上形成有多个CMOS图像传感器，且对位状态下所述围堰将所述玻璃基板与所述晶圆之间划分形成多个第一空腔，所述图像传感器包括感光区，所述CMOS图像传感器的感光区一一对应位于所述第一空腔中；
在真空环境下，对对位的所述晶圆与所述玻璃基板进行真空键合；
对键合后的所述晶圆进行切割，形成多个CMOS图像传感器芯片；
将所述CMOS图像传感器芯片上的晶圆一侧表面贴合固定在衬底基板上，并将所述CMOS图像传感器芯片和所述衬底基板上的焊垫通过引线键合实现电气连接。
2.根据权利要求1所述的封装方法，其特征在于，在玻璃基板的第一侧表面形成围堰，包括：
在所述玻璃基板的第一侧表面贴附干膜；
利用所述干膜，对所述玻璃基板的第一侧表面进行光刻处理形成所述围堰。
3.根据权利要求1所述的封装方法，其特征在于，在玻璃基板的第一侧表面形成围堰之前，还包括：
在所述玻璃基板的第二侧表面贴附保护膜，所述第一侧表面与所述第二侧表面相互背离；
对键合后的所述晶圆进行切割，形成多个CMOS图像传感器芯片之前，还包括：
将所述保护膜从所述玻璃基板上剥离。
4.根据权利要求1所述的封装方法，其特征在于，将晶圆与所述玻璃基板对位之前，还包括：
采用滚胶或丝网印刷工艺，在所述围堰上涂覆环氧树脂胶。
5.根据权利要求1所述的封装方法，其特征在于，在真空环境下，对对位的所述晶圆与所述玻璃基板进行真空键合之后，还包括：
对所述晶圆背离所述玻璃基板的一侧表面进行减薄处理。
6.根据权利要求1所述的封装方法，其特征在于，将所述CMOS图像传感器芯片上的晶圆一侧表面贴合固定在衬底基板上，并将所述CMOS图像传感器芯片和所述衬底基板上的焊垫通过引线键合实现电气连接之后，还包括：
在所述CMOS图像传感器芯片上安装密封框架，所述密封框架与所述玻璃基板和所述衬底基板形成第二空腔，所述CMOS图像传感器芯片和所述衬底基板上的焊垫以及所述引线位于所述第二空腔中。
7.根据权利要求1所述的封装方法，其特征在于，将所述CMOS图像传感器芯片上的晶圆一侧表面贴合固定在衬底基板上，并将所述CMOS图像传感器芯片和所述衬底基板上的焊垫通过引线键合实现电气连接之后，还包括：
在所述CMOS图像传感器芯片和所述衬底基板上的焊垫以及所述引线上进行点胶或塑封处理，形成密封结构覆盖所述焊垫和所述引线。
8.根据权利要求1所述的封装方法，其特征在于，将所述CMOS图像传感器芯片上的晶圆一侧表面贴合固定在衬底基板上，并将所述CMOS图像传感器芯片和所述衬底基板上的焊垫通过引线键合实现电气连接之后，还包括：
在所述衬底基板背离所述CMOS图像传感器芯片的一侧表面植球。
9.一种CMOS图像传感器芯片封装结构，其特征在于，包括衬底基板和CMOS图像传感器芯片，所述CMOS图像传感器芯片贴合固定于所述衬底基板上；所述CMOS图像传感器芯片和所述衬底基板上的焊垫通过引线键合；
所述CMOS图像传感器芯片包括晶片和玻璃基板，所述玻璃基板位于所述晶片背离所述衬底基板的一侧；
所述晶片上形成有CMOS图像传感器，所述玻璃基板朝向所述晶片的一侧表面形成有围堰，所述晶片、所述玻璃基板和所述围堰形成第一空腔，所述第一空腔为真空腔；所述图像传感器包括感光区，所述CMOS图像传感器的感光区位于所述第一空腔中。
10.根据权利要求9所述的封装结构，其特征在于，包括塑封结构，所述塑封结构覆盖所述焊垫和所述引线。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210418718.7A CN114678388A (zh) | 2022-04-20 | 2022-04-20 | 一种cmos图像传感器芯片封装方法和封装结构 |
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| CN202210418718.7A CN114678388A (zh) | 2022-04-20 | 2022-04-20 | 一种cmos图像传感器芯片封装方法和封装结构 |
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| CN (1) | CN114678388A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2024051423A1 (zh) * | 2022-09-05 | 2024-03-14 | 广东越海集成技术有限公司 | 芯片及裸芯片的封装方法 |
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2022
- 2022-04-20 CN CN202210418718.7A patent/CN114678388A/zh active Pending
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