CN116613242A - 一种感光芯片的晶圆级封装的遮光层结构及封装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种感光芯片的晶圆级封装的遮光层结构及封装方法，首先在玻璃内表面制作一层遮光层，所述遮光层为多个与感光区域对应的环状，再以高透胶水粘合晶圆与玻璃，经减薄、蚀刻沟槽、蚀刻过孔、钝化、制作金属线路等工艺步骤完成晶圆级封装。所述遮挡结构以填充玻璃、遮光层、硅基底、感光器件之间所有区域的高透胶水来替换围堰，环形遮光层与感光器件的位置相对应、且互不重叠，以达到遮光要求，消除感光芯片成像不良以及鬼影等缺陷。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，具体是一种感光芯片的晶圆级封装的遮光层结构及封装方法。
背景技术
感光芯片作为将接收的光信号转换为电信号的功能芯片，常用于电子产品的摄像头中，市场需求巨大。感光芯片的封装技术也有着较大发展，目前主流的感光芯片晶圆级芯片尺寸封装技术(Wafer Level Chip Size Packaging,WLCSP)，能够满足了感光芯片轻、小、短、薄化和低价化的要求。
感光芯片的玻璃或透光板具有透光性，方便感光芯片的感光区对外界光线的摄取，但是玻璃或透光板因其透光性，使光线在进入玻璃或透光板之后在其内部发生光学反射，导致成像不良以及鬼影等现象。
有一些实施方案中，遮光层结构暴露在芯片的外表面，容易在后续的组装使用过程中对遮光层产生划伤和破损等不良现象，对改善效果和成本均产生不良影响。
一些实施方案中采用空腔结构，存在应力分布不均以及空腔如果吸潮后在受热环境中容易产生分层，对产品的可靠性产生不利影响。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种晶圆级封装的遮光层结构及封装方法，用于消除感光芯片成像不良以及鬼影等缺陷，提高感光芯片的成像质量。同时采用无空腔结构，提升了产品可靠性，以及遮光层置于结构内部的方法，改善了后续组装使用产生的划伤破损等应用问题。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种感光芯片的晶圆级封装的遮光层结构的封装方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.遮光层制作：在玻璃内表面制作一层遮光层，所述遮光层为多个与感光区域对应的环状；
S2.晶圆与玻璃压合：带有遮光层的玻璃内表面上涂覆高透胶水，并与带有感光区的晶圆贴合，使感光区域与玻璃之间、遮光层与晶圆之间充满高透胶水；
S3.硅面减薄，对硅基底进行减薄处理；
S4.蚀刻沟槽：在减薄后的硅基底上方制作沟槽结构；
S5.蚀刻硅通孔：在沟槽上方制作硅通孔结构；
S6.钝化：在硅基底的外表面上制备钝化层；
S7.暴露电极，为后面引线做铺垫；
S8.物理气相沉积：用磁控溅射的技术，在晶圆背面沉积种子层；
S9.制作金属线路、阻焊层、锡球，并进行晶圆切割，将晶圆级封装后的晶圆切割成单颗芯片。
进一步地，S1中玻璃的厚度是100～500um，遮光层边缘与感光区的间距不超过20um，遮光层的厚度是0.1～20um；S2中高透胶水透光率大于等于90％；高透胶水的厚度是1.0～50um。
进一步地，S2中高透胶水涂覆在带有感光区的晶圆表面，然后再与带有遮光层的玻璃压合。
进一步地，遮光层为具有吸光特性的机材料或无机材料。
进一步地，S1中遮光层的制作工艺是网版印刷，3D打印，或者采用旋转涂布、光刻制成。
进一步地，S3中的减薄是采用金刚石磨轮进行机械研磨工艺加工，或是机械化学研磨抛光，或是等离子体干法蚀刻，或是使用含氟的药水进行湿法腐蚀；或者是先使用金刚石磨轮进行机械研磨后，再使用等离子干法蚀刻的方法。
进一步地，S3中减薄处理后，硅基底的厚度为20～300um范围。
进一步地，S4中蚀刻沟槽是采用光刻工艺和干法刻蚀工艺刻，或者湿法腐蚀工艺；S7中暴露电极的方式为激光打孔、蚀刻电极焊垫表面氧化硅或用刀轮切掉部分电极焊垫。
进一步地，所述种子层金属为Ti/Cu、TiW/Cu、Cr/Cu、Al或合金金属。
所述的封装方法制成的感光芯片的晶圆级封装的遮光层结构，其特征在于，玻璃的内表面设置环形的遮光层，硅基底的感光区域具有感光器件，玻璃的内表面与硅基底之间通过高透胶水粘合，所述高透胶水填充玻璃、遮光层、硅基底、感光器件之间的所有区域，所述感光区域位于环形的遮光层中间，且感光区域与遮光层不重叠。
本发明以填充玻璃、遮光层、硅基底、感光器件之间所有区域的高透胶水来替换围堰，同时在玻璃内表面上制作一层环形的遮光层。为了达到遮光要求，该遮光层的材料特性是吸光，且不会覆盖感光区，以消除感光芯片成像不良以及鬼影等缺陷。
遮光层的材质可以是有机材料也可以是无机材料。制作遮光层的工艺可以是旋转涂布，半导体光刻，等单种工艺或多种工艺复合实现。
附图说明
图1为制作遮光层的结构示意图。
图2为晶圆与玻璃压合过程的结构示意图。
图3为遮光层内边缘与感光区的位置关系示意图。
图4为硅面减薄后的结构示意图。
图5为蚀刻沟槽后的结构示意图。
图6为蚀刻硅通孔后的结构示意图。
图7为制备钝化层后的结构示意图。
图8为通过TVS孔的方式暴露电极的结构示意图。
图9为物理气相沉积种子层后的结构示意图。
图10为制作金属线路、阻焊层、锡球，并进行晶圆切割的流程图。
图11为采用TSV-PO结构暴露电极的结构示意图。
图12为采用UT结构暴露电极的结构示意图。
图中：101-玻璃，102-遮光层，103-高透胶水，104-电极焊垫，105-感光区，106-晶圆，107-沟槽，108-硅通孔，109-钝化层，110-激光孔，111-种子层，112-金属线路，113-阻焊层，114-锡球，115-单颗芯片；1101-焊垫暴露区。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
实施例1：
本发明所述的感光芯片的晶圆级封装的遮光层结构的封装方法，包括以下步骤：
S1.遮光层的制作，在玻璃内表面制作一层遮光层102，如图1所示，所述遮光层102为多个与感光区域105对应的环状。玻璃的厚是100～500um，遮光层的厚度是0.1～20um。遮光层在单颗感光区上是环状排布的，遮光层102的宽度为根据芯片的感光区尺寸定义，一般遮光层102环状内侧的边缘与感光区105的距离在20um以内。遮光层102为了达到遮光要求，该遮光层的材料特性是吸光，且不会覆盖感光区，其在单颗感光区上是环状排布的；主要作用是用于消除感光芯片成像不良以及鬼影等缺陷，其材质可以是有机材料也可以是无机材料。遮光层的制作工艺是网版印刷，3D打印，或者旋转涂布、光刻制成。
S2.晶圆与玻璃压合：带有遮光层的玻璃101与感光区的晶圆106贴合。为了得到更佳的粘结强度与透光性，使用透光率大于等于90％的高透胶水103在带有遮光层102的玻璃101内表面上涂覆高透胶水103，并与带有感光区105的晶圆106贴合，使感光区域与玻璃之间、遮光层与晶圆之间充满高透胶水，高透胶水103的厚度是1.0～50um。必要的话还可以使用专用的晶圆级压合机台设备，借助温度，真空，压力等设备参数对其进行整片的压合。
作为替换方案，高透胶水103也可以涂覆在带有感光区105的晶圆表面，然后再与带有遮光层102的玻璃101压合。
S3.硅面减薄：为了实现封装后的芯片超薄，需要对晶圆106进行减薄处理。可以采用金刚石磨轮进行机械研磨工艺加工，或是机械化学研磨抛光，或是等离子体干法蚀刻，或是使用含氟的药水进行湿法腐蚀。减薄后厚度一般为20～300um范围，根据具体应用需求，可以任意调整厚度。优选的使用金刚石磨轮进行机械研磨后，再使用等离子干法蚀刻的方法。该方法的好处是机械研磨加工快，但是会在硅表面产生应力和微损伤层，接下来使用等离子干法蚀刻的方法将微损伤层去掉，将表面应力释放掉，消除晶圆翘曲问题。经硅面减薄后如图4所示。
S4.蚀刻沟槽：在减薄后的硅基底106上方制作沟槽107结构。选择性的去掉后制程增粘层位置的硅衬底。优选的最成熟的方法是采用光刻工艺和干法刻蚀工艺刻蚀掉多余的Si，刻出沟槽107。光刻工艺的具体方法是：使用具有光敏特性的光刻材料覆盖在硅表面，然后应用具有特殊图形的掩膜版在特定波长的光下面进行感光处理，然后使用化学药剂进行显影，制作出光刻胶图形。没有被光刻胶盖着的部分会被具有活性的氟离子蚀刻反应掉而去除，从而达到将硅去除的目的。也可以使用湿法腐蚀的工艺来替代干法蚀刻工艺。硅蚀刻完成后，还要将表面的保护层光刻胶去除掉，然后对硅面进行清洗清洁。其结构如图5所示。
S5.蚀刻硅通孔108：在沟槽107上方制作硅通孔108结构；选择性的去掉后制程增粘层位置的硅衬底。优选的最成熟的方法是采用光刻工艺和干法刻蚀工艺刻蚀掉多余的Si，刻出硅通孔。使用具有光敏特性的光刻材料覆盖在硅表面，然后应用具有特殊图形的掩膜版在特定波长的光下面进行感光处理，然后使用化学药剂进行显影，制作出光刻胶图形。没有被光刻胶盖着的部分会被具有活性的氟离子蚀刻反应掉而去除，从而达到将硅去除的目的。也可以使用湿法腐蚀的工艺来替代干法蚀刻工艺。硅蚀刻完成后，还要将表面的保护层光刻胶去除掉，然后对硅面进行清洗清洁。其结构如图6所示。
S6.钝化：在硅基底106的外表面上制备钝化层109，其结构如图7所示。由于硅是半导体钝化层109起到绝缘的作用。
S7.暴露电极：在硅通孔108的位置采用激光打孔的方式，击穿电极焊垫104，形成引线孔110，暴露电极，为后面引线做铺垫，其结构如图8所示。
S8.物理气相沉积：用磁控溅射的技术，在晶圆背面沉积一层薄薄的种子层111。该种子层11实现两个目的，一是增强金属与底材的结合力，二是是为接下来电镀沉积金属层而准备的。常见的种子层金属为Ti/Cu、TiW/Cu、Cr/Cu、Al或合金金属。优先采用环保且低成本的Ti/Cu结构。Ti的厚度0.05～0.5um，Cu的厚度0.5～3um，一般根据引线孔110的深度和角度进行调整，其结构如图9所示。
S9.制作金属线路、阻焊层、锡球，并进行晶圆切割，将晶圆级封装后的晶圆切割成单颗芯片115，如图10所示。切割可以采用金属刀片或激光切割技术进行加工。
通过上述工艺制成的感光芯片的晶圆级封装的遮光层结构，玻璃的内表面设置环形的遮光层102，硅基底106的感光区域105具有感光器件，玻璃的内表面与硅基底106之间通过高透胶水103粘合，所述高透胶水103填充玻璃、遮光层102、硅基底106、感光器件之间的所有区域，所述感光区域105位于环形的遮光层102中间，且感光区域105与遮光层102不重叠。
其他实施例：
实施例1中暴露电极的方式是的激光打孔制作引线孔110方式，还可以采用蚀刻电极焊垫104表面氧化硅的方式或用刀轮切掉部分电极焊垫的方式形成焊垫暴露区，实现暴露电极。其中，蚀刻电极焊垫104表面氧化硅的方式是将电极焊垫104表面氧化硅刻蚀层的刻蚀掉露出电极焊垫104的导电部分，即图11所示的位于硅通孔108内的焊垫暴露区1101。通过用刀轮切掉部分电极焊垫的方式是将覆盖电极焊垫104的硅基底106边缘部分切除，在电极焊垫104的边缘部分形成如图12所示的焊垫暴露区1101。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种感光芯片的晶圆级封装的遮光层结构的封装方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.遮光层制作：在玻璃内表面制作一层遮光层(102)，所述遮光层(102)为多个与感光区域(105)对应的环状；
S2.晶圆与玻璃压合：带有遮光层(102)的玻璃(101)内表面上涂覆高透胶水(103)，并与带有感光区(105)的晶圆(106)贴合，使感光区域(105)与玻璃(101)之间、遮光层(102)与晶圆(106)之间充满高透胶水(103)；
S3.硅面减薄，对晶圆(106)进行减薄处理；
S4.蚀刻沟槽：在减薄后的硅基底(106)上方制作沟槽(107)结构；
S5.蚀刻硅通孔(108)：在沟槽(107)上方制作硅通孔(108)结构；
S6.钝化：在硅基底(106)的外表面上制备钝化层(109)；
S7.暴露电极，为后面引线做铺垫；
S8.物理气相沉积：用磁控溅射的技术，在晶圆(106)背面沉积种子层(111)；
S9.制作金属线路、阻焊层、锡球，并进行晶圆切割，将晶圆级封装后的晶圆切割成单颗芯片(115)。
2.根据权利要求1所述的感光芯片的晶圆级封装的遮光层结构的封装方法，其特征在于，
S1中玻璃的厚度是100～500um，遮光层(102)边缘与感光区(105)的间距不超过20um，遮光层的厚度是0.1～20um；S2中高透胶水透光率大于等于90％；高透胶水(103)的厚度是1.0～50um。
3.根据权利要求1所述的感光芯片的晶圆级封装的遮光层结构的封装方法，其特征在于，S2中高透胶水涂覆在带有感光区(105)的晶圆表面，然后再与带有遮光层(102)的玻璃(101)压合。
4.根据权利要求1所述的感光芯片的晶圆级封装的遮光层结构的封装方法，其特征在于，遮光层为具有吸光特性的有机材料或无机材料。
5.根据权利要求1所述的感光芯片的晶圆级封装的遮光层结构的封装方法，其特征在于，S1中遮光层的制作工艺是网版印刷，3D打印，或者采用旋转涂布、光刻制成。
6.根据权利要求1所述的感光芯片的晶圆级封装的遮光层结构的封装方法，其特征在于，S3中的减薄是采用金刚石磨轮进行机械研磨工艺加工，或是机械化学研磨抛光，或是等离子体干法蚀刻，或是使用含氟的药水进行湿法腐蚀；或者是先使用金刚石磨轮进行机械研磨后，再使用等离子干法蚀刻的方法。
7.根据权利要求1所述的感光芯片的晶圆级封装的遮光层结构的封装方法，其特征在于，S3中减薄处理后，硅基底(106)的厚度为20～300um范围。
8.根据权利要求1所述的感光芯片的晶圆级封装的遮光层结构的封装方法，其特征在于，S4中蚀刻沟槽是采用光刻工艺和干法刻蚀工艺刻，或者湿法腐蚀工艺；S7中暴露电极的方式为激光打孔、蚀刻电极焊垫(104)表面氧化硅或用刀轮切掉部分电极焊垫(104)方法。
9.根据权利要求1所述的感光芯片的晶圆级封装的遮光层结构的封装方法，其特征在于，所述种子层金属为Ti/Cu、TiW/Cu、Cr/Cu、Al或合金金属。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的封装方法制成的感光芯片的晶圆级封装的遮光层结构，其特征在于，玻璃的内表面设置环形的遮光层(102)，硅基底(106)的感光区域(105)具有感光器件，玻璃的内表面与硅基底(106)之间通过高透胶水(103)粘合，所述高透胶水(103)填充玻璃、遮光层(102)、硅基底(106)、感光器件之间的所有区域，所述感光区域(105)位于环形的遮光层(102)中间，且感光区域(105)与遮光层(102)不重叠。
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