CN117423715B - 一种晶圆级光学芯片封装结构的制备方法及封装结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种晶圆级光学芯片封装结构的制备方法及封装结构，该制备方法包括以下步骤：选取合适的消光层材料和光学胶层材料并设计消光层和光学胶层的厚度；在玻璃基板上制备消光层，消光层避开感光区；在玻璃基板上整面制备光学胶层；晶圆键合、减薄、硅通孔刻蚀；先预切开槽再钝化，或先钝化再预切开槽；重布线层制备；阻焊层制备；植球、回流；打标、切割。本发明通过对消光层材料进行严格选择，去除杂散光，解决眩光问题，通过对光学胶层材料进行严格选择，避免CIS产品成像重影及成像色差问题，信噪比高，改善弱光成像，适用于大尺寸、大空腔比的CIS产品封装，能够改善大尺寸CIS芯片封装结构的可靠性并提供更高的光学品质。
Description
技术领域
本发明属于半导体集成电路技术领域，具体涉及一种晶圆级光学芯片封装结构的制备方法及封装结构。
背景技术
随着CIS（英文全称：CMOS Image Sensor，中文全称：CMOS图像传感器）芯片产品尺寸的逐渐增大，传统的空腔式硅通孔（英文全称：Through Silicon Via，英文简称：TSV）封装产品的空腔比也随之增加，从而导致封装产品的可靠性提升存在较大挑战，尤其是在可靠性测试中容易出现结构分层（delamination）或断裂（Crack）。
发明内容
为解决现有技术中存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种晶圆级光学芯片封装结构的制备方法及封装结构，避免普通空腔结构的TSV区漏光导致的眩光问题。
为实现上述目的，达到上述技术效果，本发明采用的技术方案为：
一种晶圆级光学芯片封装结构的制备方法，包括以下步骤：
1）选取合适的消光层材料和光学胶层材料并设计消光层和光学胶层的厚度；
2）在玻璃基板上制备厚度为d extinction 的消光层，所述消光层避开感光区；
3）在玻璃基板上整面制备厚度为d gapless 的光学胶层，要求光学胶能找平与消光层位置的台阶；
4）晶圆键合、减薄、硅通孔刻蚀；
5）先预切开槽再钝化，或先钝化再预切开槽；
6）重布线层制备；
7）阻焊层制备；
8）植球、回流；
9）打标、切割。
进一步的，步骤1）中，所述光学胶层材料的折射率需要满足以下要求：
1-1）光学胶层材料在CIS器件工作波段折射率低于感光区像素表面的微透镜材料的折射率；
1-2）光学胶层材料为低光学双折射材料，避免因光学胶层双折射引发的CIS产品成像重影的问题；
1-3）光学胶层材料在CIS器件工作波段低色散，避免CIS产品成像色差问题。
进一步的，所述微透镜材料的折射率比光学胶层材料的折射率高0.3-0.5。
进一步的，步骤1）中，所述光学胶层材料的厚度要求满足：
根据已选定的光学胶层材料的折射率n gapless ，计算光学胶层材料的厚度：
d gapless =d CV /n gapless ；
其中，d CV 为空腔结构间隙。
进一步的，步骤1）中，所述消光层材料要求满足；
消光层材料需要在尽可能小的厚度内达到预定的消光能力，消光层的厚度需小于光学胶层的厚度；
消光能力用OD值表示，OD=-log 10 T，其中，T表示透光率。
进一步的，步骤5）中，先预切开槽再钝化，形成钝化层，所述钝化层能够完成覆盖硅通孔及开的槽。
进一步的，步骤5）中，先钝化，形成钝化层，再预切开槽，所述钝化层不能够完成覆盖硅通孔及开的槽。
进一步的，步骤5）中，预切所用刀宽大于最终产品切割所用刀宽，通过预切使芯片之间的硅、功能层断开，以便制备阻焊层时形成包边结构并应力释放以减小翘曲。
本发明还公开了如上所述的一种晶圆级光学芯片封装结构的制备方法制备得到的封装结构。
进一步的，所述封装结构包括：
玻璃基板；
消光层，设置于玻璃基板上，所述消光层避开感光区；
光学胶层，设置于玻璃基板上，覆盖消光层，要求光学胶能找平与消光层位置的台阶，所述消光层厚度小于光学胶层厚度；
晶圆，键合于玻璃基板上并进行硅通孔刻蚀；
钝化层，设置于设置于已完成减薄和硅通孔刻蚀的晶圆背面上；
重布线层，设置于钝化层上；
阻焊层，设置于已完成重布线层的晶圆背面，覆盖重布线层，并露出与锡球对应的位置；
锡球，设置于露出的重布线层上。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明公开了一种晶圆级光学芯片封装结构的制备方法及封装结构，该制备方法包括以下步骤：1）选取合适的消光层材料和光学胶层材料并设计消光层和光学胶层的厚度；2）在玻璃基板上制备厚度为d extinction 的消光层，所述消光层避开感光区；3）在玻璃基板上整面制备厚度为d gapless 的光学胶层，要求光学胶能找平与消光层位置的台阶；4）晶圆键合、减薄、硅通孔刻蚀；5）先预切开槽再钝化，或先钝化再预切开槽；6）重布线层制备；7）阻焊层制备；8）植球、回流；9）打标、切割。本发明提供的晶圆级光学芯片封装结构的制备方法及封装结构，科学设计光学胶层的折射率和厚度，光学胶层材料在CIS器件工作波段折射率低于微透镜材料的折射率，能够维持微透镜材料的聚光作用，能够提高信噪比，改善弱光成像，通过采用低光学双折射光学胶层材料解决成像重影问题，通过采用低色散光学胶层材料解决成像色差问题，同时科学设计消光层的消光能力和厚度，消光层材料需要做尽可能小的厚度内达到预定的消光能力，且厚度必须小于光学胶层厚度，以此去除杂散光，解决眩光问题，本发明使用无空腔代替现有技术中的空腔结构，适用于大尺寸、大空腔比的CIS产品封装，能够改善大尺寸CIS芯片封装结构的可靠性并提供更高的光学品质，显著改善眩光、重影、色差等问题，适合进行工业化推广使用。
附图说明
图1为本发明的步骤2）的结构示意图；
图2为本发明的步骤3）的结构示意图；
图3为本发明的步骤4）的结构示意图；
图4为本发明实施例1的步骤5）的结构示意图；
图5为本发明实施例1的步骤6）的结构示意图；
图6为本发明实施例1的步骤7）的结构示意图；
图7为本发明实施例1的步骤8）的结构示意图；
图8为本发明实施例1的步骤9）的结构示意图；
图9为本发明实施例2的步骤5）的结构示意图；
图10为本发明实施例2的步骤6）的结构示意图；
图11为本发明实施例2的步骤7）的结构示意图；
图12为本发明实施例2的步骤8）的结构示意图；
图13为本发明实施例2的步骤9）的结构示意图。
具体实施方式
下面对本发明进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。
如图1-13所示，一种晶圆级光学芯片封装结构的制备方法，包括以下步骤：
1）选取合适的消光层材料和光学胶层材料并科学设计消光层1和光学胶层2的厚度。其中，光学胶层材料需要满足以下要求：
1-1）要求光学胶层材料在CIS器件工作波段折射率低于感光区像素表面的微透镜材料的折射率，以此来维持micro lens（微透镜材料）结构的聚光作用，提高信噪比，改善弱光成像。具体的，光学胶层为gapless胶，需维持微透镜材料的折射率比光学胶层材料的折射率高0.3-0.5。需要说明的是，感光区像素点上是有凸起的微透镜阵列的（每一个凸起像一个围棋子的形状），微透镜材料的折射率在1.5左右，作用是将更多光信号汇聚到感光像素上，提高信噪比。在常规空腔情况下，微透镜与其周边环境有0.5左右的折射率差（空腔折射率算1.0），填充光学胶层材料后，折射率差发生变化，如果不进行材料折射率匹配、微透镜形状优化，其聚光的光学功能会失效。因此，要维持微透镜的光学功能，要么用尽可能低折射率的光学胶层材料，但这种材料很难找，要么提高微透镜材料自身的折射率；
1-2）要求光学胶层材料为低光学双折射材料，以此来避免因光学胶层双折射引发的CIS产品成像重影的问题。双折射由描述，/>值越小，表示双折射越低，其中，/>、/>为面内折射率，/>为厚度方向折射率，典型值是当光学胶层厚度时，/>；
1-3）要求光学胶层材料在CIS器件工作波段低色散，以此来避免CIS产品成像色差问题。此处色散指的是折射率随波长的变化。不同颜色的光波长不同，如果物体色散过大，那从同一光源入射的外界环境光中不同的颜色成分的光折射角不同（类比牛顿的三棱镜分光实验），到达像素点时的光色配比有差异，即成像与原物体有色差。通常低色散的聚合物材料分子结构有如下特点：大共轭体系、高电子亲和性、三维有序的分子堆积。色散特性用阿贝数描述，阿贝数越大，表示材料色散越低，其中，/>、/>、/>分别为D光（波长587.6nm）、F光（波长486.1nm）、C光（波长656.3nm）的折射率，典型值是阿贝数大于等于30；
1-4）光学胶层材料的厚度要求满足：
根据已选定的光学胶层材料的折射率n gapless ，计算出与空腔结构CIS封装“等光程”的光学胶层材料的厚度，d gapless =d CV /n gapless ，d CV 为空腔结构间隙；
其中，消光层材料需要满足以下条件：
1-5）消光层材料的颜色应满足产品要求；
1-6）消光层材料需要做尽可能小的厚度内达到预定的消光能力，消光能力可用OD值表示，OD的定义为OD=-log 10 T，其中，T表示透光率，使用吸光或阻挡材料，消光层1的厚度必须小于光学胶层2的厚度。
2）在玻璃基板3上制备厚度为d extinction 的消光层1，所用工艺包括但不限于黄光、丝印、3D打印、掩膜沉积等，也可以是具有遮光能力的框形胶带。消光层材料包括但不限于光学吸收、阻挡材料，如吸光的油墨、遮光的CV胶。消光层1应避开感光区4。
3）在玻璃基板3上整面制备厚度为d gapless 的光学胶层2，要求光学胶能找平与消光层1位置的台阶，所用工艺包括但不限于旋涂、狭缝涂布、刮涂、喷涂等工艺，还可以用直接压干膜的方式来制备，此步骤可便于后期实现玻璃基板3与晶圆5无空腔胶合。
4）依次完成晶圆5键合、减薄、硅通孔刻蚀；本步骤中的“键合”与现有技术不同。现有技术通常是在围堰上涂布一层1-5μm厚的键合胶，然后在真空、加热条件下进行压合，取出后硬烤，而本发明则无需另涂键合胶，且上步制备的光学胶层2并未硬烤，在液体光学胶涂布的情形时，通过软烤和抽真空过程去除大部分溶剂，然后依次进行真空压合和硬烤固化以完成键合。干膜情形时，在真空环境下软烤（干膜恢复粘性）、压合，然后硬烤固化完成键合。
5）预切开槽、钝化，或钝化、预切开槽；钝化材料包括但不限于高分子材料（如聚酰亚胺）、无机镀层（如氧化硅、氮化硅等）。预切所用刀宽大于最终产品切割所用刀宽，通过预切使芯片之间的硅、功能层断开，以便后续制备阻焊层时形成包边结构和应力释放以减小翘曲。
6）重布线层7的制备。
7）阻焊层8的制备。
8）植锡球、回流。
9）打标、切割。
一种晶圆级光学芯片封装结构，为无空腔式封装结构，包括：
玻璃基板3；
消光层1，设置于玻璃基板3上，消光层1避开感光区4；
光学胶层2，设置于玻璃基板3上，覆盖消光层1，要求光学胶能找平与消光层位置的台阶，且消光层1的厚度小于光学胶层2的厚度；
晶圆5，键合于玻璃基板3上并进行硅通孔刻蚀；
钝化层6，设置于玻璃基板3上；
重布线层7，设置于钝化层6上；
阻焊层8，设置于玻璃基板3上，覆盖重布线层7并露出部分重布线层7；
锡球9，设置于露出的重布线层7上。
实施例1
如图1-8所示，一种晶圆级光学芯片封装结构的制备方法，包括以下步骤：
1）选取消光层材料和光学胶层材料并设计消光层1和光学胶层2的厚度；其中，光学胶层材料需要满足以下要求：
1-1）要求光学胶层材料在CIS器件工作波段折射率低于感光区像素表面的微透镜材料的折射率，以此来维持micro lens（微透镜材料）结构的聚光作用，提高信噪比，改善弱光成像。具体的，需维持微透镜材料的折射率比光学胶层材料的折射率高0.3；
1-2）要求光学胶层材料为低光学双折射材料，以此来避免因光学胶层双折射引发的CIS产品成像重影的问题。双折射由描述，/>值越小，表示双折射越低，其中，/>、/>为面内折射率，/>为厚度方向折射率，典型值是当光学胶层厚度时，/>；
1-3）要求光学胶层材料在CIS器件工作波段低色散，以此来避免CIS产品成像色差问题。色散特性用阿贝数描述，阿贝数越大，表示材料色散越低，其中，/>、/>、分别为D光（波长587.6nm）、F光（波长486.1nm）、C光（波长656.3nm）的折射率，典型值是阿贝数大于等于30；
1-4）光学胶层材料的厚度要求满足：
根据已选定的光学胶层材料的折射率n gapless ，计算出与空腔结构CIS封装“等光程”的光学胶层材料的厚度，d gapless =d CV /n gapless ，d CV 为空腔结构间隙；
其中，消光层材料需要满足以下条件：
1-5）消光层材料的颜色应满足产品要求；
1-6）消光层材料需要做尽可能小的厚度内达到预定的消光能力，消光能力可用OD值表示，OD的定义为OD=-log 10 T，其中，T表示透光率，消光层1的厚度必须小于光学胶层2的厚度。
2）在玻璃基板3上制备厚度为d extinction 的消光层1，所用工艺包括但不限于黄光、丝印、3D打印、掩膜沉积等，也可以是具有遮光能力的框形胶带。消光层材料包括但不限于光学吸收、阻挡材料，如吸光的油墨、遮光的CV胶。消光层1应避开感光区4。
3）在玻璃基板3上整面制备厚度为d gapless 的光学胶层2，要求光学胶能找平与消光层1位置的台阶，所用工艺为旋涂，此步骤可便于后期实现玻璃基板3与晶圆5无空腔胶合。
4）依次完成晶圆5键合、减薄、硅通孔刻蚀；本步骤中的“键合”与现有技术不同。现有技术通常是在围堰上涂布一层1-5μm厚的键合胶，然后在真空、加热条件下进行压合，取出后硬烤，而本实施例则无需另涂键合胶，且上步制备的光学胶层2并未硬烤，在液体光学胶涂布的情形时，通过软烤和抽真空过程去除大部分溶剂，然后依次进行真空压合和硬烤固化以完成键合。干膜情形时，在真空环境下软烤（干膜恢复粘性）、压合，然后硬烤固化完成键合。
5）先钝化，形成钝化层6，再预切开槽（半切），钝化层6不能完成覆盖硅通孔及开的槽，如图4所示；钝化层6材质为聚酰亚胺。预切所用刀宽大于最终产品切割所用刀宽，通过预切使芯片之间的硅、功能层断开，以便后续制备阻焊层时形成包边结构和应力释放以减小翘曲。
6）重布线层7的制备。
7）阻焊层8的制备。
8）植锡球9、回流。
9）打标、切割。
本实施例的步骤5）至步骤9）采用现有技术即可，可根据实际需求调整。
本实施例还公开了一种晶圆级光学芯片封装结构，包括：
玻璃基板3；
消光层1，设置于玻璃基板3上，所述消光层1避开感光区4；
光学胶层2，设置于玻璃基板3上，覆盖消光层1，要求光学胶能找平与消光层位置的台阶，且消光层1的厚度小于光学胶层2的厚度；
晶圆5，键合于玻璃基板3上并进行硅通孔刻蚀；
钝化层6，设置于玻璃基板3上，覆盖晶圆5；
重布线层7，设置于钝化层6上；
阻焊层8，设置于玻璃基板3上，覆盖重布线层7并露出部分重布线层7；
锡球9，设置于露出的重布线层7上。
实施例2
如图1-3和图9-13所示，一种晶圆级光学芯片封装结构的制备方法，包括以下步骤：
1）选取消光层材料和光学胶层材料并设计消光层1和光学胶层2的厚度；其中，光学胶层材料需要满足以下要求：
1-1）要求光学胶层材料在CIS器件工作波段折射率低于感光区像素表面的微透镜材料的折射率，以此来维持micro lens（微透镜材料）结构的聚光作用，提高信噪比，改善弱光成像。具体的，需维持微透镜材料的折射率比光学胶层材料的折射率高0.3；
1-2）要求光学胶层材料为低光学双折射材料，以此来避免因光学胶层双折射引发的CIS产品成像重影的问题。双折射由描述，/>值越小，表示双折射越低，其中，/>、/>为面内折射率，/>为厚度方向折射率，典型值是当光学胶层厚度时，/>；
1-3）要求光学胶层材料在CIS器件工作波段低色散，以此来避免CIS产品成像色差问题。色散特性用阿贝数描述，阿贝数越大，表示材料色散越低，其中，/>、/>、分别为D光（波长587.6nm）、F光（波长486.1nm）、C光（波长656.3nm）的折射率，典型值是阿贝数大于等于30；
1-4）光学胶层材料的厚度要求满足：
根据已选定的光学胶层材料的折射率n gapless ，计算出与空腔结构CIS封装“等光程”的光学胶层材料的厚度，d gapless =d CV /n gapless ，d CV 为空腔结构间隙；
其中，消光层材料需要满足以下条件：
1-5）消光层材料的颜色应满足产品要求；
1-6）消光层材料需要做尽可能小的厚度内达到预定的消光能力，消光能力可用OD值表示，OD的定义为OD=-log 10 T，其中，T表示透光率，消光层1的厚度必须小于光学胶层2的厚度。
2）在玻璃基板3上制备厚度为d extinction 的消光层1，所用工艺包括但不限于黄光、丝印、3D打印、掩膜沉积等，也可以是具有遮光能力的框形胶带。消光层材料包括但不限于光学吸收、阻挡材料，如吸光的油墨、遮光的CV胶。消光层1应避开感光区4。
3）在玻璃基板3上整面制备厚度为d gapless 的光学胶层2，要求光学胶能找平与消光层1位置的台阶，所用工艺为旋涂，此步骤可便于后期实现玻璃基板3与晶圆5无空腔胶合。
4）依次完成晶圆5键合、减薄、硅通孔刻蚀。
5）先预切开槽（半切），再钝化，形成钝化层6，钝化层6可完成覆盖硅通孔及开的槽，如图9所示。
6）重布线层7的制备。
7）阻焊层8的制备。
8）植锡球9、回流。
9）打标、切割。
本实施例还公开了一种晶圆级光学芯片封装结构，包括：
玻璃基板3；
消光层1，设置于玻璃基板3上，消光层1避开感光区4；
光学胶层2，设置于玻璃基板3上，覆盖消光层1，要求光学胶能找平与消光层位置的台阶，且消光层1的厚度小于光学胶层2的厚度；
晶圆5，键合于玻璃基板3上并进行硅通孔刻蚀；
钝化层6，设置于玻璃基板3上，覆盖晶圆5；
重布线层7，设置于钝化层6上；
阻焊层8，设置于玻璃基板3上，覆盖重布线层7并露出部分重布线层7；
锡球9，设置于露出的重布线层7上。
其余下同实施例1。
本发明未具体描述的部分或结构采用现有技术或现有产品即可，在此不做赘述。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (9)
1.一种晶圆级光学芯片封装结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）选取合适的消光层材料和光学胶层材料并设计消光层和光学胶层的厚度；
2）在玻璃基板上制备厚度为d extinction 的消光层，所述消光层避开感光区；
3）在玻璃基板上整面制备厚度为d gapless 的光学胶层，要求光学胶能找平与消光层位置的台阶；
4）晶圆键合、减薄、硅通孔刻蚀；
5）先预切开槽再钝化，或先钝化再预切开槽；
6）重布线层制备；
7）阻焊层制备；
8）植球、回流；
9）打标、切割；
步骤1）中，所述光学胶层材料的折射率需要满足以下要求：
1-1）要求光学胶层材料在CIS器件工作波段折射率低于感光区像素表面的微透镜材料的折射率；
1-2）要求光学胶层材料为低光学双折射材料，避免因光学胶层双折射引发的CIS产品成像重影的问题；
1-3）要求光学胶层材料在CIS器件工作波段低色散，避免CIS产品成像色差问题。
2.根据权利要求1所述的一种晶圆级光学芯片封装结构的制备方法，其特征在于，所述微透镜材料的折射率比光学胶层材料的折射率高0.3-0.5。
3.根据权利要求1所述的一种晶圆级光学芯片封装结构的制备方法，其特征在于，步骤1）中，所述光学胶层材料的厚度要求满足：
根据已选定的光学胶层材料的折射率n gapless ，计算光学胶层材料的厚度：
d gapless =d CV /n gapless ；
其中，d CV 为空腔结构间隙。
4.根据权利要求1所述的一种晶圆级光学芯片封装结构的制备方法，其特征在于，步骤1）中，所述消光层材料要求满足；
消光层材料需要在尽可能小的厚度内达到预定的消光能力，消光层的厚度需小于光学胶层的厚度；
消光能力用OD值表示，OD=-log 10 T，其中，T表示透光率。
5.根据权利要求1所述的一种晶圆级光学芯片封装结构的制备方法，其特征在于，步骤5）中，先预切开槽再钝化，形成钝化层，所述钝化层能够完成覆盖硅通孔及开的槽。
6.根据权利要求1所述的一种晶圆级光学芯片封装结构的制备方法，其特征在于，步骤5）中，先钝化，形成钝化层，再预切开槽，所述钝化层不能够完成覆盖硅通孔及开的槽。
7.根据权利要求1所述的一种晶圆级光学芯片封装结构的制备方法，其特征在于，步骤5）中，预切所用刀宽大于最终产品切割所用刀宽，通过预切使芯片之间的硅、功能层断开，以便制备阻焊层时形成包边结构并应力释放以减小翘曲。
8.根据权利要求1-7任一所述的一种晶圆级光学芯片封装结构的制备方法制备得到的封装结构。
9.根据权利要求8所述的封装结构，其特征在于，包括：
玻璃基板；
消光层，设置于玻璃基板上，所述消光层避开感光区；
光学胶层，设置于玻璃基板上，要求光学胶能找平与消光层位置的台阶，所述消光层厚度小于光学胶层厚度；
晶圆，键合于玻璃基板上并进行硅通孔刻蚀；
钝化层，设置于设置于已完成减薄和硅通孔刻蚀的晶圆背面上；
重布线层，设置于钝化层上；
阻焊层，设置于已完成重布线层的晶圆背面，覆盖重布线层，并露出与锡球对应的位置；
锡球，设置于露出的重布线层上。
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