CN115116991B - 一种传感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种传感器及其制造方法，涉及半导体芯片封装领域。本发明在芯片衬底背面形成正对芯片区的凹槽，以此可以防止芯片衬底因热量不均造成翘曲；进一步的，散热金属块形成在凹槽内，可以保证芯片区的刚性，并且可以减小散热路径，增加散热效率。此外，导电金属柱可以形成在凹槽内，保证电接合的可靠性，且能够实现热量的分散传输。
Description
技术领域
本发明涉及半导体芯片封装领域，具体涉及一种传感器及其制造方法。
背景技术
对于半导体封装，传感器可以实现小型化、多功能化以及低成本化，但是随着要集成度的不断提升，其产热效率，以及光传输质量都受到极大的限制。现有的传感器可以参见图1，在衬底1上具有传感器芯片区11，为了密封性的需要，在衬底1上具有通过间隔件13粘合的盖板14，在衬底1的上表面上具有架空区域，其热量不易散去；而在衬底1的下表面具有线路层5，并通过焊料7进行电引出，为了实现背面散热，现有技术中往往通过形成一散热层6实现，然而，直接在下表面形成散热层6，其与芯片区2的距离d较大，且散热层6的厚度不能够做的很厚，这样不利于散热；进一步的，由于热的不平衡性，衬底1易发生翘曲。
发明内容
基于解决上述问题，本发明提供了一种传感器的制造方法，其包括以下步骤：
（1）提供芯片衬底，其包括相对的第一表面和第二表面，所述第一表面上具有在其中间区域的传感器芯片区以及在其边缘区域的多个焊盘；
（2）在所述第二表面上形成多个通孔以及一凹槽，所述多个通孔分别对应且露出多个焊盘，且所述凹槽对应于所述传感器芯片区，所述凹槽的深度大于或等于芯片衬底厚度的1/3；
（3）在多个通孔以及凹槽的侧壁及底壁形成一图案化的绝缘层，所述绝缘层覆盖所述第二表面；
（4）在所述第二表面上形成图案化的布线层，所述布线层电连接所述多个焊盘；
（5）在所述第二表面上形成一密封层，所述密封层填充所述多个通孔和所述凹槽；
（6）蚀刻所述密封层以形成多个第一开口和一第二开口，其中多个第一开口露出所述布线层，所述第二开口位于所述传感器芯片区正下方；
（7）通过同一沉积步骤，在所述多个第一开口中分别形成多个金属柱，在所述第二开口中形成散热金属块；所述多个金属柱为第一金属材质，所述散热金属块为第二金属材质，其中第二金属材质的氧化还原电位高于第一金属材质的氧化还原电位。
进一步的，步骤（1）在所述第一表面上通过间隔件接合盖板。
进一步的，所述多个第一开口位于所述多个通孔与所述凹槽之间。
进一步的，所述多个第一开口位于所述凹槽之内，且所述多个金属柱围绕所述散热金属块。
进一步的，每个第一开口的孔径小于第二开口的孔径。
进一步的，还包括步骤（8），在多个金属柱上接合第一焊料，在散热金属块上接合第二焊料。
进一步的，还包括步骤（9），提供一电路板，所述电路板中包括一散热通道，所述散热金属块提供所述第二焊料热接合于所述散热通道，所述多个金属柱通过所述第一焊料电接合于所述电路板。
本发明还提供了一种传感器，其由上述的传感器的制造方法形成，其包括：
芯片衬底，其包括相对的第一表面和第二表面，所述第一表面上具有在其中间区域的传感器芯片区以及在其边缘区域的多个焊盘；
多个通孔以及一凹槽，形成在所述第二表面上，所述多个通孔分别对应且露出多个焊盘，且所述凹槽对应于所述传感器芯片区，所述凹槽的深度大于或等于芯片衬底厚度的1/3；
图案化的绝缘层，形成在多个通孔以及凹槽的侧壁及底壁，所述绝缘层覆盖所述第二表面；
图案化的布线层，形成在所述第二表面上，所述布线层电连接所述多个焊盘；
密封层，形成在所述第二表面上形成，所述密封层填充所述多个通孔和所述凹槽；
多个第一开口和一第二开口，形成在所述密封层中，其中多个第一开口露出所述布线层，所述第二开口位于所述传感器芯片区正下方；
多个金属柱，分别形成在所述多个第一开口中；
散热金属块，形成在所述第二开口中，
其中，所述多个金属柱为第一金属材质，所述散热金属块为第二金属材质，其中第二金属材质的氧化还原电位高于第一金属材质的氧化还原电位。
进一步的，所述多个第一开口位于所述凹槽之内，且所述多个金属柱围绕所述散热金属块。
进一步的，所述散热金属块为多个，且每个散热金属块与所述金属柱的形状大小相同。
本发明的优点如下：
本发明在芯片衬底背面形成正对芯片区的凹槽，以此可以防止芯片衬底因热量不均造成翘曲；进一步的，散热金属块形成在凹槽内，可以保证芯片区的刚性，并且可以减小散热路径，增加散热效率。此外，导电金属柱可以形成在凹槽内，保证电接合的可靠性，且能够实现热量的分散传输。
特别的，导电金属柱为第一金属材质，散热金属块为第二金属材质，其中第二金属材质的氧化还原电位高于第一金属材质的氧化还原电位，例如，第一金属材质可以选自铜或铝等，而第二金属材质可以选自锌或锌铝合金等。如此设置，在运输或者接合焊球等过程中，可以防止多个用于电连接的金属柱被氧化，进而提高电连接的可靠性。
附图说明
图1为现有的传感器的剖面图；
图2为本发明一实施例的传感器的剖面图；
图3-图9为本发明一实施例的传感器的制造方法的流程示意图；
图10为本发明另一实施例的传感器的剖面图；
图11-图13为本发明另一实施例的传感器的制造方法的流程示意图。
附图标记说明：1、衬底；11、传感器芯片区；13、间隔件；14、盖板；5、线路层；6、散热层；7、焊料；10、芯片衬底；12、焊盘；15、通孔；16、凹槽；17、绝缘层；18、布线层；19、密封层；20、第一开口；21、第二开口；22、散热金属块；23、金属柱；24、第一焊料；25、第二焊料；26、电路板；27、散热通道。
具体实施方式
本技术将通过参考实施例中的附图进行描述，本技术涉及一种传感器，该传感器的芯片衬底背面形成正对芯片区的凹槽，以此可以防止芯片衬底因热量不均造成翘曲；进一步的，散热金属块形成在凹槽内，可以保证芯片区的刚性，并且可以减小散热路径，增加散热效率。
可以理解的是，本技术可以以许多不同的形式实现，并且不应被解释为限于在此阐述的实施例。当然，提供这些实施例，为的是使本公开彻底且全面，并且将该技术充分地传达给本领域技术人员。的确，该技术旨在涵盖这些实施例的替代、修改和等同物，其包含在由所附权利要求所限定的技术的范围和精神内。此外，在本技术的以下具体描述中，大量特定的细节被提出，以便提供对本技术彻底的理解。但是，对本领域技术人员显而易见的是，本技术在没有这些特定的细节时是可以实现的。
本文所用的术语“顶部的”和“底部的”，上部的”和“下部的”以及“垂直的”和“水平的”和它们的各种形式，只作示例和说明的目的，并不意味着限定本技术的描述，因为提及的项目可以在位置和方向上交换。并且，这里所用的术语“大体上”和/或“大约”的意思是，指定的尺寸或参数在给定应用的可接受制造公差内是可以变化的。
首先参考图2， 本发明的传感器包括芯片衬底10，芯片衬底10可以是硅衬底，其包括相对的第一表面（即上表面）和第二表面（即下表面）。芯片衬底10的第一表面上具有传感器芯片区11，该传感器芯片区11可以是在芯片衬底10上通过掺杂、外延、蚀刻等工艺形成，其基础部件可以是CMOS光感测部件。
传感器芯片区11位于芯片衬底10的中间区域，其至少占用芯片衬底10的面积的50%以上。在围绕所述中间区域的边缘区域中具有围绕所述传感器芯片区11的多个焊盘12。多个焊盘12嵌入于芯片衬底10之中，且其作为传感器芯片区11的电引出端。
在芯片衬底10上具有环绕所述传感器芯片区11的间隔件13，间隔件13具有粘合的作用，其架空一盖板14，该盖板14为透明玻璃。该间隔件13可以利用光固化树脂材料形成，且芯片衬底10的上表面、间隔件13和盖板14围成一架空区域。
在芯片衬底10的第二表面具有多个通孔15，多个通孔15通过蚀刻所述芯片衬底10形成，其可以是上小下大的倒梯形截面形状。多个通孔15的底部分别露出多个焊盘12，多个通孔15减少了边缘区域的衬底材料。相对应的，在传感器芯片区11的正下方具有一凹槽16，该凹槽16的深度小于多个通孔15的深度。在本实施例中，多个通孔15和凹槽16可以通过相同的蚀刻步骤形成，例如通过不同透光比的掩膜实现不同深度。
凹槽16在芯片衬底10的第一表面上投影面积大于所述传感器芯片区11的面积，这样可以保证后续散热金属块的覆盖区域。凹槽16相较于传感器芯片区11的距离较小，能够实现较好的散热。并且，凹槽除去了中间区域的衬底材料，可以防止因为衬底热应力不均匀导致的翘曲，影响传感器芯片区11的正常工作。凹槽16的深度大于或等于芯片衬底10的厚度的1/3，这样的设置可以提高中间芯片区域的刚性。
进一步的，在芯片衬底10的第二表面上形成有图案化的绝缘层17，该绝缘层17可以是氧化硅材料，其可以通过直接氧化芯片衬底10形成。该绝缘层17同时覆盖所述多个通孔15和凹槽16的侧壁以及底壁上，其起到了电隔离的目的。
在绝缘层17上覆盖有布线层18，布线层18为图案化的结构，其从所述焊盘12延伸至所述第二表面上，且在凹槽16的底部还具有部分的非功能性布线层。该布线层18通过沉积的方式形成在第二表面、凹槽16和多个通孔15的底壁和侧壁上，然后进行图案化形成布线层18。布线层18的一端电连接焊盘12，另一端则引出至多个通孔15和凹槽16之间的位置。
在第二表面上形成有密封层19，该密封层19通过注塑、模塑、压铸等方法形成，可选的，其材料可以是聚酰亚胺、聚苯乙烯或环氧树脂等聚合物材料。密封层19完整的覆盖所述第二表面，且具有一定的厚度。
在密封层19中形成多个第一开口20和第二开口21（参见图7），每个第一开口20的孔径小于第二开口21的孔径。其中多个第一开口20露出布线层18的功能端，而第二开口21则位于凹槽16中。第二开口21的口径可以略小于凹槽16的口径，以保证第二开口21后续形成散热金属块的体积较大。
然后，在多个第一开口20中形成多个金属柱23，而在第二开口21中形成散热金属块22。在仰视观察时，所述散热金属块22的面积大于每个金属柱23的面积，并且，每个金属柱23与散热金属块22间隔的设置。
特别的，多个金属柱23为第一金属材质，散热金属块22为第二金属材质，其中第二金属材质的氧化还原电位高于第一金属材质的氧化还原电位，例如，第一金属材质可以选自铜或铝等，而第二金属材质可以选自锌或锌铝合金等。如此设置，在运输或者接合焊球等过程中，可以防止多个用于电连接的金属柱23被氧化，进而提高电连接的可靠性。
最后，在多个金属柱23上接合有第一焊料24，在散热金属块22上接合有第二焊料25。第一焊料24和第二焊料25可以是相同的金属焊料，在该实施例中，其也可以不设置第一焊料24和第二焊料25。
本发明在芯片衬底10背面形成正对传感器芯片区11的凹槽16，以此可以防止芯片衬底10因热量不均造成翘曲；进一步的，散热金属块22形成在凹槽16内，可以保证传感器芯片区11的刚性，并且可以减小散热路径，增加散热效率。
下面将结合图3-图9介绍该实施例的传感器的制造方法，其具体包括以下步骤：
（1）提供芯片衬底，其包括相对的第一表面和第二表面，所述第一表面上具有在其中间区域的传感器芯片区以及在其边缘区域的多个焊盘；
（2）在所述第二表面上形成多个通孔以及一凹槽，所述多个通孔分别对应且露出多个焊盘，且所述凹槽对应于所述传感器芯片区，所述凹槽的深度大于或等于芯片衬底厚度的1/3；
（3）在多个通孔以及凹槽的侧壁及底壁形成一图案化的绝缘层，所述绝缘层覆盖所述第二表面；
（4）在所述第二表面上形成图案化的布线层，所述布线层电连接所述多个焊盘；
（5）在所述第二表面上形成一密封层，所述密封层填充所述多个通孔和所述凹槽；
（6）蚀刻所述密封层以形成多个第一开口和一第二开口，其中多个第一开口露出所述布线层，所述第二开口位于所述传感器芯片区正下方；
（7）通过同一沉积步骤，在所述多个第一开口中分别形成多个金属柱，在所述第二开口中形成散热金属块；所述多个金属柱为第一金属材质，所述散热金属块为第二金属材质，其中第二金属材质的氧化还原电位高于第一金属材质的氧化还原电位。
具体的，参见图3，提供具有一定厚度的芯片衬底10，所述芯片衬底10的第一表面上包括在其中间区域的传感器芯片区11和在其边缘区域的多个焊盘12。
参见图4，在第一表面上形成间隔件13，所述间隔件13环绕于所述传感器芯片区11周围，而玻璃盖板14通过间隔件13接合于所述芯片衬底10上，以保证密封性，且实现光接收的可靠性。
接着参见图5，从所述第二表面蚀刻形成多个通孔15和凹槽16，其可以通过湿法蚀刻工艺形成，且多个通孔15露出焊盘12。
参见图6，在芯片衬底10的第二表面形成同时覆盖多个通孔以及凹槽的侧壁及底壁的绝缘层17，该绝缘层17通过热氧化方法形成。进一步的，在绝缘层17上通过化学气相沉积或溅射方法形成一金属层并通过图案化工艺形成布线层18。
然后参见图7，在第二表面上整体覆盖聚合物材料并固化形成密封层19，该密封层19还填充所述多个通孔15和所述凹槽16。在密封层19中形成多个第一开口20和一个第二开口21，其中第一开口20作为电连接端，而第二开口21设置于凹槽16中。
进一步的，在多个第一开口20填充第一金属材质形成多个金属柱23，在第二开口21中填充第二金属材质形成散热金属柱22，具体参见图8。其中，第二金属材质的氧化还原电位高于第一金属材质的氧化还原电位。最后，在多个金属柱23上接合第一焊料24，在散热金属块22上接合第二焊料25。第一焊料24和第二焊料25可以是相同的金属焊料，例如可以是金锡焊料或者铅锡焊料等。
此外，对于上述传感器，其可以结合到电路板26上，电路板26中可以具有散热路径27，该散热路径27可以是散热块或者散热器结构。散热金属块22提供所述第二焊料25热接合于所述散热通道27，所述多个金属柱23通过所述第一焊料24电接合于所述电路板26。
对于图10的实施例，其与前述实施例不同，该实施例具有更优的效果。具体而言，该实施例的多个金属柱23所对应的多个第一开口20形成在凹槽16中，且散热金属块22所对应的第二开口21也形成在所述凹槽16中。即多个金属柱23和散热金属块22均设置在凹槽16中，以此，可以保证电接合的可靠性，且能够实现热量的分散传输。同样的，在多个金属柱23上接合第一焊料24，在散热金属块22上接合第二焊料25。
该实施例的制造方法，基本与前一实施例相同。只是在形成多个第一开口20和第二开口21时，使得第一开口20和第二开口21均形成在凹槽16中即可，具体参见图11。接着在第一开口20中形成金属柱23，在第二开口中形成散热金属块22，具体参见图12。最后，通过接合的第一焊料24和第二焊料25连接至电路板26上，而散热金属块22通过第二焊料25接合至电路板26的散热通道27，具体参见图13。
特别的，所述散热金属块22可以为分立的多个（该结构未示出），对应于的凹槽也设置为多个，且每个散热金属块22与所述金属柱23的形状大小相同。如此设置，可以减小芯片区域与散热金属块的寄生电容，保证电信号可靠性。
本发明在芯片衬底背面形成正对芯片区的凹槽，以此可以防止芯片衬底因热量不均造成翘曲；进一步的，散热金属块形成在凹槽内，可以保证芯片区的刚性，并且可以减小散热路径，增加散热效率。此外，导电金属柱可以形成在凹槽内，保证电接合的可靠性，且能够实现热量的分散传输。
特别的，导电金属柱为第一金属材质，散热金属块为第二金属材质，其中第二金属材质的氧化还原电位高于第一金属材质的氧化还原电位，例如，第一金属材质可以选自铜或铝等，而第二金属材质可以选自锌或锌铝合金等。如此设置，在运输或者接合焊球等过程中，可以防止多个用于电连接的金属柱被氧化，进而提高电连接的可靠性。
为了说明和描述的目的，本技术的前面的详细描述已经呈现。其并不旨在将本技术详尽或限制于所公开的精确形式。根据上述教导的许多修改和变化是可以的。选择所描述的实施例是为了最好地解释本技术的原理及其实际应用，从而确保其他本领域的技术人员最好地利用各种实施例中的技术和适用于预期的特定用途的各种修改。本技术的范围由所附的权利要求限定。
本发明中使用的表述“示例性实施例”、“示例”等不是指同一实施例，而是被提供来着重描述不同的特定特征。然而，上述示例和示例性实施例不排除他们与其他示例的特征相组合来实现。例如，即使在另一示例中未提供特定示例的描述的情况下，除非另有陈述或与其他示例中的描述相反，否则该描述可被理解为与另一示例相关的解释。
本发明中使用的术语仅用于示出示例，而无意限制本发明。除非上下文中另外清楚地指明，否则单数表述包括复数表述。
虽然以上示出并描述了示例实施例，但对本领域技术人员将明显的是，在不脱离由权利要求限定的本发明的范围的情况下，可做出变型和改变。
Claims (10)
1.一种传感器的制造方法，其包括以下步骤：
（1）提供芯片衬底，其包括相对的第一表面和第二表面，所述第一表面上具有在其中间区域的传感器芯片区以及在其边缘区域的多个焊盘；
（2）在所述第二表面上形成多个通孔以及一凹槽，所述多个通孔分别对应且露出多个焊盘，且所述凹槽对应于所述传感器芯片区，所述凹槽的深度大于或等于芯片衬底厚度的1/3；
（3）在多个通孔以及凹槽的侧壁及底壁形成一图案化的绝缘层，所述绝缘层覆盖所述第二表面；
（4）在所述第二表面上形成图案化的布线层，所述布线层电连接所述多个焊盘；
（5）在所述第二表面上形成一密封层，所述密封层填充所述多个通孔和所述凹槽；
（6）蚀刻所述密封层以形成多个第一开口和一第二开口，其中多个第一开口露出所述布线层，所述第二开口位于所述传感器芯片区正下方；
（7）通过同一沉积步骤，在所述多个第一开口中分别形成多个金属柱，在所述第二开口中形成散热金属块；所述多个金属柱为第一金属材质，所述散热金属块为第二金属材质，其中第二金属材质的氧化还原电位高于第一金属材质的氧化还原电位。
2.根据权利要求1所述的传感器的制造方法，其特征在于：步骤（1）在所述第一表面上通过间隔件接合盖板。
3.根据权利要求1所述的传感器的制造方法，其特征在于：所述多个第一开口位于所述多个通孔与所述凹槽之间。
4.根据权利要求1所述的传感器的制造方法，其特征在于：所述多个第一开口位于所述凹槽之内，且所述多个金属柱围绕所述散热金属块。
5.根据权利要求3或4所述的传感器的制造方法，其特征在于：每个第一开口的孔径小于第二开口的孔径。
6.根据权利要求5所述的传感器的制造方法，其特征在于：还包括步骤（8），在多个金属柱上接合第一焊料，在散热金属块上接合第二焊料。
7.根据权利要求6所述的传感器的制造方法，其特征在于：还包括步骤（9），提供一电路板，所述电路板中包括一散热通道，所述散热金属块提供所述第二焊料热接合于所述散热通道，所述多个金属柱通过所述第一焊料电接合于所述电路板。
8.一种传感器，其由权利要求1-7任一项所述的传感器的制造方法形成，其包括：
芯片衬底，其包括相对的第一表面和第二表面，所述第一表面上具有在其中间区域的传感器芯片区以及在其边缘区域的多个焊盘；
多个通孔以及一凹槽，形成在所述第二表面上，所述多个通孔分别对应且露出多个焊盘，且所述凹槽对应于所述传感器芯片区，所述凹槽的深度大于或等于芯片衬底厚度的1/3；
图案化的绝缘层，形成在多个通孔以及凹槽的侧壁及底壁，所述绝缘层覆盖所述第二表面；
图案化的布线层，形成在所述第二表面上，所述布线层电连接所述多个焊盘；
密封层，形成在所述第二表面上形成，所述密封层填充所述多个通孔和所述凹槽；
多个第一开口和一第二开口，形成在所述密封层中，其中多个第一开口露出所述布线层，所述第二开口位于所述传感器芯片区正下方；
多个金属柱，分别形成在所述多个第一开口中；
散热金属块，形成在所述第二开口中
其中，所述多个金属柱为第一金属材质，所述散热金属块为第二金属材质，其中第二金属材质的氧化还原电位高于第一金属材质的氧化还原电位。
9.根据权利要求8所述的传感器，其特征在于：所述多个第一开口位于所述凹槽之内，且所述多个金属柱围绕所述散热金属块。
10.根据权利要求9所述的传感器，其特征在于：所述散热金属块为多个，且每个散热金属块与所述金属柱的形状大小相同。
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