KR100775136B1 - 이미지센서 모듈용 웨이퍼 레벨 칩 스케일 패키지 및 이의제조방법 및 칩 스케일 패키지를 이용한 카메라 모듈 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 웨이퍼 레벨 칩 스케일 패키지 및 이를 이용한 카메라 모듈에 관한 것이다.
본 발명의 웨이퍼 레벨 칩 스케일 패키지는, 상면 중앙부에 수광부가 구비되고, 그 테두리부를 등간격으로 다수의 접속 패드가 형성된 이미지센서; 상기 이미지센서의 상면에 부착 고정되고, 상기 수광부가 노출되도록 중앙부에 윈도우 캐비티가 형성됨과 아울러 상기 이미지센서의 패드와 대응되는 위치에 다수의 비아가 천공된 더미 기판; 상기 더미 기판 상부에 지지되는 IR필터 글라스; 상기 IR필터 글라스 외측의 더미 기판 상부에 상기 비아와 전기적으로 연결 가능하게 형성된 솔더 볼; 을 포함하며, 최소의 높이를 가지는 이미지센서 모듈이 제작 가능함과 아울러 이물 발생을 최소화할 수 있는 장점이 있으며, 휴대용 단말기의 슬림화에 대응되는 경박단소화를 만족시킬 수 있는 이점이 있다.
이미지센서, 더미 기판(dummy substrate), 비아, 캐비티, IR필터 글래스, 솔더 볼, 인쇄회로기판, 광학유니트
Description
도 1은 COB 방식으로 제작되는 카메라 모듈이 도시된 단면도.
도 2는 COF 방식의 종래 카메라 모듈의 조립 상태를 보인 일부 절개 단면도.
도 3은 본 발명에 따른 웨이퍼 레벨 칩 스케일 패키지의 단면도.
도 4 내지 도 8은 본 발명에 따른 웨이퍼 레벨 칩 스케일 패키지의 공정도.
도 9는 본 발명에 따른 칩 스케일 패키지가 인쇄회로기판에 실장된 상태의 단면도.
도 10은 본 발명에 따른 칩 스케일 패키지를 이용하여 조립된 카메라 모듈의 단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
110. 이미지센서 120. 더미 기판(dummy substrate)
121. 비아 122. 캐비티
130. IR필터 글래스 140. 솔더 볼
200. 인쇄회로기판 300. 광학유니트
본 발명은 웨이퍼 레벨 칩 스케일 패키지 및 이를 이용한 카메라 모듈에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 상부에 솔더 볼(solder ball)이 형성된 더미 기판(dummy substrate)을 이용하여 웨이퍼 상에서 박형의 칩 스케일 패키지가 제작되고, 상기 칩 스케일 패키지(CSP)에 의해서 양산 수율을 향상시킴과 동시에 경박단소의 카메라 모듈이 제작될 수 있도록 한 웨이퍼 레벨 칩 스케일 패키지 이를 이용한 카메라 모듈에 관한 것이다.
현재 휴대폰 및 PDA 등과 같은 휴대용 단말기는 최근 그 기술의 발전과 더불어 단순한 전화기능 뿐만 아니라, 음악, 영화, TV, 게임 등으로 멀티 컨버전스로 사용되고 있으며, 이러한 멀티 컨버전스로의 전개를 이끌어 가는 것 중의 하나로서 카메라 모듈(camera module)이 가장 대표적이라 할 수 있다. 이러한 카메라 모듈은 기존의 30만 화소(VGA급)에서 현재 800만 화소의 고화소 중심으로 변화됨과 동시에 오토포커싱(AF), 광학 줌(optical zoom) 등과 같은 다양한 부가 기능의 구현으로 변화되고 있다.
이와 같은 카메라 모듈은, CCD나 CMOS 등의 이미지센서를 주요 부품으로 하여 제작되고 있으며 상기 이미지센서를 통하여 사물의 이미지를 집광시켜 기기내의 메모리상에 데이터로 저장되고, 저장된 데이터는 기기내의 LCD 또는 PC 모니터 등의 디스플레이 매체를 통해 영상으로 디스플레이된다.
최근의 카메라 모듈은, 휴대폰 및 PDA 등의 휴대용 단말기에서 추구되는 슬림화에 따라 모듈 높이의 박형화 문제가 급격하게 대두되고 있으며, 카메라 모듈의 화소수를 저하시키지 않은 상태에서 모듈의 전체적인 높이를 줄이기 위한 노력이 계속고 있다.
통상의 카메라 모듈은 대표적으로 COB(Chip On Board), COF(Chip On Flexible) 등의 방식으로 제작되는 바, 아래 도시된 도면을 참조하여 그 간략한 구조를 살펴보면 다음과 같다.
도 1은 COB 방식으로 제작되는 카메라 모듈이 도시된 단면도로서, 종래 카메라 모듈(10)은 CCD나 CMOS의 이미지센서(12)가 와이어 본딩 방식에 의해서 장착된 프린트기판(11)이 플라스틱 재질의 하우징(13) 하부에 결합되고 상기 하우징(13) 상부로 연장된 경통(14)에 하부로 원통형 몸체(15)가 연장된 렌즈배럴(16)이 결합됨에 의해서 제작된다.
상기 카메라 모듈(10)은 경통(14) 내주면에 형성된 암나사부(14a)와 원통형 몸체(15)의 외주면에 형성된 숫나사부(15a)의 나사 결합으로 하우징(13)과 렌즈배럴(16)이 상호 결합된다.
이때, 상기 프린트기판(11)의 상면, 즉 렌즈배럴(16)의 하단부에 장착된 렌즈(L)와 상기 프린트기판(11)의 하면에 부착된 이미지센서(12) 사이에는 IR 필터(18)가 결합됨으로써, 이미지센서(12)로 유입되는 과도한 장파장의 적외선을 차단시키게 된다.
상기와 같이 조립된 카메라 모듈은, 특정한 사물로부터 유입되는 빛이 렌즈(L)를 통과하면서 상이 반전되어 이미지센서(12)의 표면에 포커싱되는 데, 이때 나사 결합에 의해서 하우징(13) 상단에 체결된 렌즈배럴(16)을 회전시키면서 최적의 포커스가 맞춰진 지점에서 하우징(13)과 렌즈배럴(16)의 유격 사이로 접착제를 주입하여 하우징(13)과 렌즈배럴(16)를 접착 고정시켜 최종적인 카메라 모듈 제품이 생산된다.
따라서, 종래의 COB 타입 카메라 모듈은 상기 프린트기판(11) 상에 실장된 이미지센서(12)의 높이와 상기 이미지센서(12)와 소정의 간격이 형성되어야 하는 렌즈배럴(16)에 의해서 카메라 모듈의 전체적인 높이가 결정되기 때문에, 모듈의 전체적인 부피를 소형화하는 데는 한계가 있으며, 모듈의 조립 과정 중에 이물에 의한 조립 불량이 발생될 수 있는 여지가 많은 문제점이 지적되고 있다.
또한, 도 2는 COF 방식의 종래 카메라 모듈의 조립 상태를 보인 일부 절개 단면도로서, 도시된 바와 같이 종래의 카메라 모듈(1)은 렌즈를 통해 들어온 영상신호를 전기적 신호로 변환하는 이미지센서(3)가 저면에 지지되는 하우징(2)과, 상기 이미지센서(3)에 피사체의 영상신호를 모아주는 렌즈군(4)과, 상기 렌즈군(4)이 내부에 다단 적층되는 배럴(5)의 순차적인 결합에 의해서 구성된다.
이때, 상기 하우징(2)의 하부에는 CCD 또는 CMOS로 이루어진 이미지센서(3)를 구동하기 위한 전기 부품인 컨덴서(condensor)와 저항(resistance)의 칩 부품이 부착된 실장용 기판(FPCB)(6)이 전기적으로 결합된다.
이와 같이 구성된 종래의 카메라 모듈(1)은, 실장용 기판(FPCB, 6)에 다수의 회로 부품이 실장된 상태에서 기판(6)과 이미지센서(3) 사이에 이방전도성필름(ACF:Anisotropic Conductive Film)(8)을 삽입하고 열과 압력을 가하여 통전되도록 접착 고정하고, 그 반대면에 IR 필터(7)를 부착한다.
또한, 다수의 렌즈군(4)이 내장된 배럴(5)과 하우징(2)이 나사 결합에 의해서 가결합된 상태에서 전술한 바와 같이, 기 조립된 실장용 기판(6)이 하우징의 저면에 별도의 접착제에 의해서 접착 고정된다.
한편, 상기 이미지센서(3)가 부착된 실장용 기판(6)과 배럴(5)이 결합된 하우징(2)의 접착 고정 후에 상기 배럴(5)의 전방에 피사체(해상도 챠트)를 일정한 거리로 하여 초점 조정이 이루어지게 되는 데, 상기 카메라 모듈(1)의 초점 조정은 하우징(2)에 나사 결합된 배럴(5)의 회전에 의한 수직 이송량이 조절됨에 따라 렌즈군(4)과 이미지센서(3)간의 초점 조절이 이루어지게 된다.
이때, 상기 피사체의 거리는 대략 50㎝에서 무한대의 거리를 두고 초점 조정이 이루어지게 되며, 최종적인 초점이 조정된 후에는 하우징(2)과 배럴(5) 사이에 접착제를 주입하여 초점이 맞춰진 상태로 접착 고정된다.
이러한, COF 방식의 카메라 모듈은 상기 이미지센서에 직접 열을 가하여 이 방전도성필름이 열압착되기 때문에 열에 의하여 이미지센서가 충격을 받게 될 뿐만 아니라 이미지센서의 수광부만큼 오픈 공간으로 제작되기 때문에 이미지센서 범프와 기판의 패드만이 선택적으로 접합되어 접합 불량이 빈번하게 발생되고, 신뢰성이 저하되는 문제점이 있었다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 개별 칩 단위로 패키지 조립을 진행하는 전형적인 패키지 제조방법과 달리 웨이퍼 상태에서 일괄적으로 패키지들이 조립 및 제조되어 이물 불량을 가장 효과적으로 억제할 수 있는 칩 스케일 패키지(CSP : Chip Scale Package)를 이용한 카메라 모듈 제작 방식이 고려되고 있다.
그러나, 종래 CSP 방식의 카메라 모듈은 이물 불량이 감소되는 이점에도 불구하고, 이미지센서와 인쇄회로기판을 접합을 위해 이미지센서의 하부면에 형성된 솔더 볼이 인쇄회로기판의 패드와 직접 접촉되어야 하기 때문에 솔더 볼의 두께와 인쇄회로기판의 두께만큼의 모듈 높이가 높아질 수 밖에 없어 다른 패키지 방식보다 카메라 모듈의 슬림화에 의한 전체적인 부피를 줄이는 데 역행되고, 공정 수의 증가에 의해서 카메라 모듈 제작 비용이 증가되는 단점이 있다.
따라서, 본 발명은 종래 카메라 모듈 제작 방식에서 제기되고 있는 상기 제반 단점과 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 중앙부에 윈도우 캐비티(cavity)가 형성된 더미 기판(dummy substrate)이 이미지센서 상면에 본딩 결합 되고, 상기 더미 기판의 캐비티 상에 복개된 IR 필터 글라스의 외측으로 다수의 솔더 볼이 형성되며, 그 상부로 인쇄회로기판을 비롯한 광학유니트가 조립됨에 의해서 이물 발생을 최소화한 웨이퍼 레벨 칩 스케일 패키지 및 그 제조방법과, 칩 스케일 패키지를 이용한 경박단소화의 카메라 모듈이 제공됨에 발명의 목적이 있다.
본 발명의 상기 목적은, 상면에 수광부가 구비된 이미지센서와, 이미지센서의 수광부가 노출되도록 중앙부에 캐비티가 형성되고 테두리부를 따라 다수의 비아가 천공된 더미 기판과, 상기 더미 기판에 지지되는 IR필터 글라스와, 상기 비아와 전기적으로 연결되도록 더미 기판의 각 비아 상부에 형성된 솔더 볼을 포함하는 웨이퍼 레벨 칩 스케일 패키지에 의해서 달성된다.
상기 이미지센서 상면에 더미 기판의 부착 시 사용되는 접착제는 에폭시 계열과 실리콘 계열, 벤조사이클로뷰텐(BCB : Benzo cyclo butene) 등이 사용될 수 있다.
이때, 상기 더미 기판은 세라믹 웨이퍼로 구성되어 그 두께는 비교적 얇은 이미지센서에 가해지는 외력을 흡수하기 위하여 대략 300㎛ 이상으로 형성됨이 바람직하다.
상기 이미지센서의 상면에 부착되는 글라스는, IR 필터 역할을 할 수 있는 IR 필터 글라스가 사용되며, 상기 이미지센서의 수광부로 입사되는 광 중에 포함된 장파장의 적외선이 차단되도록 함과 동시에 상기 더미 기판의 중앙부에 형성된 캐 비티(cavity)가 복개되도록 더미 기판의 상부에 장착됨에 의해서 이물 불량을 감소시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 웨이퍼 상에서 제작되어 단위 패키지별로 절단된 칩 스케일 패키지와, 패키지의 상면에 구비된 솔더 볼에 의한 플립 칩 본딩에 의해서 표면 실장(SMT)되는 인쇄회로기판과, 상기 인쇄회로기판의 상부와 상기 칩 스케일 패키지 측면이 복개되는 하우징과, 상기 하우징의 상단부에 나사 결합되는 렌즈배럴을 포함하는 카메라 모듈이 제공됨에 의해서 달성된다.
이때, 상기 하우징은 그 하단부가 칩 스케일 패키지의 측면 복개 시 패키지의 최하부층에 위치하는 이미지센서의 저면보다 소정 길이로 길게 형성됨으로써, 상기 카메라모듈의 낙하 시 이미지센서에 가해지는 외부 충격이 완화될 수 있도록 한다.
상기 인쇄회로기판은, 더미 기판의 테두리부를 따라 돌출되게 결합된 솔더 볼과의 패드 접합에 의해서 그 상부에 부착되며, 상기 솔더 볼 주위로 에폭시 계열의 접착제가 주입되어 리플로우(reflow) 공정을 통해 칩 스케일 패키지의 실장이 이루어진다.
한편, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 웨이퍼 레벨 칩 스케일 패키지의 제조방법은, 상면에 수광부가 구비된 다수의 이미지센서가 정렬된 웨이퍼 상부에 더미 웨이퍼가 본딩 결합되는 단계와, 상기 더미 웨이퍼에 등간격으로 다수의 비아와 캐비티가 형성되고 그 상부에 IR 필터층이 구비된 글라스가 부착되는 단계와, 상기 더미 웨이퍼에 형성된 비아와 대응하는 위치에 다수의 솔더 볼이 형성되 는 단계와, 상기 웨이퍼 상태로 완성된 패키지를 개별적으로 분리하는 단계로 구성된다.
또한, 상기 웨이퍼 레벨 칩 스케일 패키지의 제조방법은, 더미 웨이퍼에 건식 또는 습식 에칭에 의해서 비아가 형성되는 단계와, 상기 웨이퍼의 일면이 패터닝(pattenning)되어 재분배 레이어가 형성되는 단계와, 상기 비아의 내부로 금속 재질의 충진재가 채워지는 단계와, 상기 비아의 내측으로 윈도우 캐비티가 형성되는 단계로 이루어진 더미 웨이퍼 형성 단계가 더 포함됨을 특징으로 한다.
상기 더미 웨이퍼는 실리콘 웨이퍼를 건식 또는 습식 에칭에 의해서 웨이퍼를 관통하는 비아가 형성되며, 이때 건식 에칭은 포토리소그라피 공정을 수행하여 레지스트막을 형성하고 에칭될 부분만 오픈하는 DRIE(Dry Reactive Ion Etching) 방식으로 에칭이 이루어지게 된다.
또 한편으로는, 상기 웨이퍼의 패드와 대응되는 하부면에 Si3N4를 성막하여 KOH 식각액을 이용한 습식 에칭이 수행될 수 있으며, 웨이퍼의 에칭 시 웨이퍼를 수직으로 관통하는 관통홀(through hole)의 형태로 구성된다.
본 발명의 이미지센서 모듈용 웨이퍼 레벨 칩 스케일 패키지 및 이를 이용한 카메라 모듈의 상기 목적에 대한 기술적 구성을 비롯한 작용효과에 관한 사항은 본 발명의 바람직한 실시예가 도시된 도면을 참조한 아래의 상세한 설명에 의해서 명확하게 이해될 것이다.
웨이퍼 레벨 칩 스케일 패키지의 구조
먼저, 도 3은 본 발명에 따른 웨이퍼 레벨 칩 스케일 패키지의 단면도이고, 도 4는 본 발명에 따른 웨이퍼 레벨 칩 스케일 패키지의 공정도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 웨이퍼 레벨 칩 스케일 패키지(100)는, 중앙부에 수광부(111)가 구비된 이미지센서(110)의 상부에 윈도우 캐비티(122)와 그 외측으로 다수의 비아(121)가 형성된 더미 기판(dummy substrate)(120)이 부착되고, 상기 더미 기판(120)의 상부에 캐비티(122) 형성 영역이 복개되는 IR필터 글라스(130)가 결합되어 패키지 형태의 이미지센서 모듈로 구성된다.
상기 이미지센서(110)는 원반형의 웨이퍼 상에 격자 구조로 배열되며, 각각의 이미지센서(110)는 상면 중앙부에 입사광을 집광시키는 수광부(111)가 구비되고 상기 수광부(111)의 외측으로는 이미지센서(110)의 전기적 접속을 위한 다수의 패드(112)가 형성된다.
상기 이미지센서(110) 상부에 안착되는 더미 기판(120)은 수광부(111)를 제외한 이미지센서(110)의 상면에 부착되고, 상기 이미지센서(110)의 패드(112) 형성 부위와 대응되는 위치에 다수의 비아(121)가 형성된다.
상기 더미 기판(120)은 이미지센서(110)의 집합체인 이미지센서 웨이퍼 상에 실리콘 웨이퍼 상태로 안착되며, 상기 이미지센서(110)의 수광부(111) 형성 영역에 건식 또는 습식 에칭에 의해 천공되는 캐비티(122)가 구비된다.
또한, 상기 더미 기판(120)은 이미지센서(110)의 상면에 에폭시 계열, 실리 콘 계열 또는 BCB(Benzo Cyclo Butene)등의 접착제 도포에 의한 폴리머 격벽에 의해서 부착된다.
덧붙여, 상기 이미지센서(110) 상의 패드(112)는 일반적인 사이즈의 패드 또는 확장 패드 중 어느 하나로 형성될 수 있다.
한편, 상기 더미 기판(120)의 테두리부를 따라 형성된 다수의 비아(121)는 더미 기판(120)의 상, 하부를 관통하는 관통홀(through-hole)로 구성되며, 실리콘 웨이퍼의 초기 에칭 단계에서 형성된 비아(121) 홀 내부에 전도성 페이스트 주입에 의한 경화 방식이나 전기 도금 방식에 의해서 금속 재질의 충진재가 채워지며, 상기 이미지센서(110)의 상면에 노출된 패드(112)의 일부분과 전기적으로 연결되어 배선을 형성한다.
이때, 상기 더미 기판(120)은 상면과 하면 중 어느 일면에 재분배 레이어(redistribution layer)를 형성하기 위한 패터닝(pattenning)이 수행되며, 상기 더미 기판(120)의 패터닝은 그 테두리부에 형성된 비아(121) 중에서 상기 이미지센서(110)의 상면에 형성된 패드(112)과 대응되는 실제 사용 가능한 비아(121) 상의 패턴만이 형성되도록 하기 위한 것으로서, 동일한 피치를 이루는 패드(123)를 통해 비아(121)의 관통홀 전극이 노출되도록 하기 위함이다.
여기서, 상기 이미지센서(110)의 패드(112)와 대응하는 비아(121) 내부에 채워지는 금속 재질의 충진재는 전도성이 좋은 구리(Cu)로 함이 바람직하며, 상기 이미지센서(110)의 패드(112)과 비아(121)는 각 패드(112)의 상면에 돌출 형성된 도전성 범프(115)를 통해서 전기적으로 연결된다.
이때, 상기 도전성 범프(115)는 스터드 범프나 플랫 범프로 구성되며, 그 구성 물질은 Au, Cr, Al, Sn 중의 어느 하나의 물질로 구성됨이 바람직하다.
또한, 상기 더미 기판(120)은 중앙부, 즉 이미지센서(110)에 형성된 수광부(111)를 포함하는 광의 입사 영역 상기 비아(121)와 동일한 방식으로 에칭됨에 의해서 천공되며, 상기 천공 부위를 입사되는 입사광 중에 포함된 장파장의 적외선은 상기 천공 부위에 복개되는 IR필터 글라스(130)에 의해서 필터링된다.
상기 더미 기판(120)의 높이는 그 상부에 부착되는 글라스(130)보다 얇은 300㎛ 이상의 두께로 형성됨이 바람직하며, 상기 더미 기판(130)의 두께를 300㎛ 이상으로 한정하는 이유는, 칩 스케일 패키지(100)의 전체적인 높이를 최소화하면서도 상기 이미지센서(110)에 가해지는 충격을 흡수하여 상기 이미지센서(110)의 낙하 시 발생될 수 있는 파손이 방지될 수 있는 최소한의 두께를 확보하기 위함이다.
한편, 상기 더미 기판(120)의 상부에 안착되는 글라스(130)는, 상면 또는 하면 중 어느 일면에 IR 필터층이 박막 또는 코팅면을 이루는 글라스 또는 자체에 IR 필터링 기능을 갖춘 글라스가 사용될 수 있다.
상기 글라스(130)는, 더미 기판(120)의 상면에 형성된 패드(123)의 내측에 그 테두리부가 안착되며, 상기 이미지센서(110)와 더미 기판(120)의 접합 방식과 같이 접착제에 의한 밀착 결합이 이루어진다.
이때, 상기 글라스(130)의 접합 시 사용되는 접착제도 에폭시 계열, 실리콘 계열 또는 BCB(Benzo Cyclo Butene)등의 접착제가 이용된다.
상기 글라스(130)가 부착된 더미 기판(120) 상에 형성된 패드(123)의 상면에는 각 패드(123)와 대응하는 솔더 볼(140)이 형성되며, 상기 솔더 볼(140)은 대략 IR필터 글라스(130)의 높이와 동일하거나 약간 높은 위치로 돌출되는 직경을 갖게 됨에 따라 후술될 카메라 모듈의 조립 시 인쇄회로기판(도면 미도시)에 전기적 접속이 이루어지도록 한다.
즉, 앞서 기술된 종래의 솔더 볼을 이용한 칩 스케일 패키지는 카메라 모듈 조립 시 이미지센서의 저면에 솔더 볼이 형성되어 솔더 볼 접속에 의한 인쇄회로기판이 장착됨에 따라 전체적인 카메라 모듈의 높이가 높아질 수 밖에 없는 반면에, 본 발명에 따른 칩 스케일 패키지(100)는 이미지센서(110)에 가해지는 외부 충격을 흡수하면서 다수의 비아(121)가 구비된 더미 기판(120)의 상부에 상기 비아(121)와 전기적 접속을 이루는 솔더 볼(140)이 형성되고, 상기 솔더 볼(140)은 IR필터 글라스(130)에 의해서 형성되는 그 외측 공간 상에 다수 배치됨으로써, 상기 이미지센서(110)와 인쇄회로기판 간의 전기적 접속의 신뢰성을 향상시키면서도 최소의 카메라 모듈 높이가 형성되도록 한다
한편, 상기와 같은 구조로 이루어진 본 발명의 웨이퍼 레벨 칩 스케일 패키지는, 이미지센서가 격자형으로 배열된 웨이퍼 상에 다수의 비아 및 윈도우 캐비티가 구비된 더미 웨이퍼가 부착되고, 상기 더미 웨이퍼 상부에 중앙의 캐비티가 복개되도록 IR필터 글라스가 결합되며, 상기 IR필터 글라스의 외측으로 상기 비아와 전기적으로 접속되는 솔더 볼이 형성되고, 상기 웨이퍼 레벨 상태로 완성된 칩 스 케일 패키지가 개별적으로 분리되는 순차적인 공정에 의해서 제작된다.
이와 같은 웨이퍼 레벨 칩 스케일 패키지의 자세한 제조 공정을 아래 도시된 도 4 내지 도 8에 의거하여 주요 공정 단계별로 구분하여 설명하면 다음과 같다.
웨이퍼 레벨 칩 스케일 패키지의 제조방법
도시된 바와 같이, 본 발명의 웨이퍼 레벨 칩 스케일 패키지는 도 4와 같이, 원판형의 실리콘으로 이루어진 이미지센서 웨이퍼(110W) 상에 등간격으로 격자형의 수광부(111)가 형성되고, 상기 수광부(111)를 중심으로 그 주변에 다수의 패드(112)가 구비된다.
이때, 상기 패드(112)와 패드(112) 사이에는 스크라이브 라인(도면 미도시)이 형성되며, 상기 스크라이브 라인은 후술될 최종 공정 중의 다이싱 단계에서 다이싱 라인(dicing line)으로 사용된다.
다음, 도 5와 같이 이미지센서 웨이퍼(110W)의 수광부 형성 영역을 제외한 웨이퍼(110W) 상면에 300㎛ 이상의 두께로 구성되어 다수의 비아(121)가 형성된 더미 웨이퍼(120W)가 접착제에 의해서 부착 고정되며, 상기 더미 웨이퍼(120W)는 이미지센서 웨이퍼(110W) 상면의 패드(112) 상에 형성된 범프(bump)(115)의 비아(121) 접속에 의해서 전기적으로 접속된다.
이때, 상기 더미 웨이퍼(120W)는 이미지센서 웨이퍼(110W)의 상면에 도포되는 에폭시 계열, 실리콘 계열 또는 BCB(Benzo Cyclo Butene)등의 접착제에 의해 생성되는 폴리머 격벽에 의해서 부착된다.
다음으로, 상기 더미 웨이퍼(120W)는 중앙부의 천공 영역에 의한 윈도우 캐비티(122)가 형성되고, 상기 캐비티(122) 사방의 외측부에 관통 형성된 비아(121)는 그 내부가 금속 재질의 충진재로 채워져 도전라인이 생성되며, 여기서, 상기 비아(121)의 내부 충진은 주로 구리(Cu)를 이용한 전기 도금 방식이나 솔더 페이스트를 포함하는 전도성 페이스트를 프린팅하는 방식으로 이루어진다.
이와 같이, 더미 웨이퍼(120W) 상면에 에칭된 비아(121) 내부에 페이스트 주입에 의한 경화가 완료되어 상기 그 상부에 형성된 패드(123)와 도전라인이 형성된 패턴 형성면이 평탄면으로 구성되도록 한 후에 다음 공정인 더미 웨이퍼(120W)의 선택적인 에칭에 의한 윈도우 캐비티(122) 형성 단계가 수행된다.
상기 비아(121)의 내부 충진과 패터닝에 의한 재분배 레이어 형성은 더미 웨이퍼(120W)의 형성 단계에서 별도로 수행되며, 비아(121)의 내부 충진 및 재분배 레이어 형성 후에는 웨이퍼(120W)의 수광부(111) 형성 영역이 노출되도록 캐비티(122)의 에칭이 이루어진다.
상기 더미 웨이퍼(120W)의 형성 단계를 좀 더 자세히 살펴보면, 실리콘 재질로 구성된 더미 웨이퍼에 건식 또는 습식 에칭에 의해서 비아(121)가 형성되고 상기 더미 웨이퍼(120W)의 상, 하면 중 어느 일면이 패터닝(pattenning)되어 재분배 레이어(redistribution layer)가 형성되며, 상기 비아(121)의 내부로 금속 재질의 충진재가 앞서 설명된 도금 방식 또는 금속성 페이스트의 주입에 의해서 채워지며, 상기 비아(121)의 내측으로 이미지센서 웨이퍼(110W)의 수광부(111)가 노출되는 윈도우 캐비티(122)가 에칭에 의해서 천공되는 순차적 공정으로 이루어진다.
여기서, 상기 더미 웨이퍼(120W) 형성 단계에서, 상기 더미 웨이퍼(120W) 상면에 레지스트층이 형성되어 있다면, 상기 레지스트층을 에칭할 부분만 오픈하여 DRIE(Dry Reactive Ion Etching)에 의한 건식 에칭이 수행됨으로써, 상기 더미 웨이퍼(120W)의 상, 하부를 관통하는 비아(121)가 형성된다.
또한, 상기 더미 웨이퍼(120W)는 식각액을 이용한 습식 에칭에 의해 상기와 같은 관통홀의 비아(121)가 형성될 수 있는 바, Si3N4의 성막에 의해 소정 형상의 레지스트 패턴이 형성되지 않은 부분에 대하여 습식 에칭이 수행되며, 이때, 상기 습식 에칭의 식각액은 70 내지 90℃의 40% 수산화칼륨(KOH)이 사용된다.
그리고, 상기와 같은 에칭에 의해서 형성된 비아(121)에 전도성 페이스트를 프린팅하는 방식은, 더미 웨이퍼(120W) 면에 형성된 관통홀의 비아(121) 내부에 전도성 페이스트가 주입되도록 프린팅한 후 리플로우나 오븐을 통과시켜 비아(121) 내에 주입된 페이스트가 경화되도록 한 방식이며, 금속을 도금하는 방식은 시드(SEED) 메탈을 코팅한 후 전기 동도금을 실시하여 CMP(Chemical Mechanical Planarization)를 진행하면 비아(121) 내부에 채워진 금속만 남게 되어 상기 패드(123)와 원하는 배선이 형성되도록 하는 방식으로 수행된다.
다음, 이미지센서 웨이퍼(110W)와 더미 웨이퍼(120W)의 접합이 완료되면, 도 6에서와 같이 상기 더미 웨이퍼(120W)의 상부에 IR필터 글라스(130)가 안착되며, 상기 IR필터 글라스(130)는 상기 더미 웨이퍼(120W)의 캐비티(122)가 복개될 수 있는 크기로 절단되어 더미 웨이퍼(120W) 상에 부착되며, 상기 IR필터 글라스(130)의 각 측면은 상기 더미 웨이퍼(120W) 상의 비아(121) 상부에 형성된 패드(123)의 내측으로 위치하게 된다.
그리고, 도 7과 같이, 상기 더미 웨이퍼(120W)에 형성된 비아(121)와 도전라인을 형성하는 패드(123)의 상면에는 다수의 솔더 볼(140)이 형성되며, 상기 솔더 볼(140)은 IR필터 글라스(130) 외측의 공간에 다수 형성되어 그 상부에 솔더링되는 인쇄회로기판(도면 미도시)과 전기적 접속을 이루게 된다.
마지막으로, 상기 솔더 볼(140)의 부착에 의해서 웨이퍼 레벨 상태로 완성된 패키지(100)는 상기 솔더 볼(140)이 부착된 더미 웨이퍼(120W) 상의 패드(123) 중앙부, 즉 각 솔더 볼(140) 사이에 형성된 스크라이브 라인을 다이싱 라인으로 하여 각각의 패키지(100)로 절단됨으로써, 도 8에서와 같이 상기 이미지센서(110)의 상부로 더미 기판(120)이 구비되고 상기 더미 기판(120)의 상부에 안착된 IR필터 글라스(130)의 외측 공간 상에 전기적 도전라인이 형성된 패드(123)와 일대일 대응되도록 솔더 볼(140)이 배치됨에 의한 웨이퍼 레벨 칩 스케일 패키지(100)의 제작이 완료된다.
웨이퍼 레벨 칩 스케일 패키지를 이용한 카메라 모듈
이와 같은 구조 및 제조방법에 의해서 제작되는 웨이퍼 레벨 칩 스케일 패키지는 도 9 내지 도 10에 도시된 바와 같이, 그 상부에 인쇄회로기판(200)이 플립 칩 본딩되고 하우징(301)과 렌즈배럴(302)로 구성된 광학유니트(300)가 일체로 조립됨에 의해서 카메라 모듈(500)이 제작된다.
도 9는 본 발명에 따른 칩 스케일 패키지가 인쇄회로기판에 실장된 상태의 단면도이고, 도 10은 본 발명에 따른 칩 스케일 패키지를 이용하여 조립된 카메라 모듈의 단면도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 카메라 모듈(500)은 단면 또는 양면 인쇄회로기판(200)의 일면에 칩 스케일 패키지(100)가 표면 실장 방식(SMT)에 의해서 실장됨에 있어서, 상기 더미 기판(120) 상의 솔더 볼(140)과 인쇄회로기판(200)의 접합면에 형성된 패드(210)의 접속에 상호 접합된다.
이때, 상기 더미 기판(120) 상부의 IR필터 글라스(130)의 외측에 형성된 솔더 볼(140)의 돌출 부위 주위로는 에폭시 등의 접착제에 의한 접착 보강용 언더 필(under fill)(U)이 형성되도록 함으로써, 상기 솔더 볼(140)과 인쇄회로기판(200)의 접착 강도를 향상시킨다.
또한, 상기 카메라 모듈(500)은 인쇄회로기판(200)의 상부에 칩 스케일 패키지(100)를 안착시킨 상태에서 리플로우 장치를 통과하도록 함에 의해서 솔더 볼(140)과 그 주변에 주입된 접착제(U)의 융착에 의해서 패키지(100)의 접합이 이루어지게 된다.
한편, 상기 인쇄회로기판(200)이 부착된 칩 스케일 패키지(100) 상에는 다수의 렌즈(L)가 적층 결합된 렌즈배럴(302)과 하우징(301)이 나사 결합에 의해서 일체를 이루는 광학유니트(300)가 밀착 결합되어 카메라 모듈(500)이 구성된다.
이때, 상기 카메라 모듈(500)은 광학유니트(300)를 구성하는 하우징(301)이 칩 스케일 패키지(100)의 전면에 복개될 때, 그 하단부의 길이가 이미지센서(110) 의 저면보다 다소 길게 형성되도록 함으로써, 카메라 모듈(500)의 낙하 시 이미지센서(110)의 저면에 직접 충격이 가해지는 것이 방지된다.
상기 하우징(301)의 하단부 길이는 상기 카메라 모듈(500)의 제품 출하 시 부착되는 poron 재질의 보호판 두께를 고려하여 대략 50~100㎛ 정도로 형성됨이 바람직하다.
이상의 본 발명은 상기에 기술된 실시예들에 의해 한정되지 않고, 당업자들에 의해 다양한 변형으로 실시될 수 있으며, 이는 첨부된 특허청구범위에서 정의되는 본 발명의 취지와 범위에 포함되는 것으로 보아야 할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 웨이퍼 레벨 칩 스케일 패키지 및 이를 이용한 카메라 모듈은, 상면 테두리부를 따라 다수의 솔더 볼이 형성된 더미 기판을 이용하여 웨이퍼 레벨의 칩 스케일 패키지(WL-CSP)가 제작됨으로써, 최소의 높이를 가지는 이미지센서 모듈이 제작 가능함과 아울러 이물 발생을 최소화할 수 있는 장점이 있으며, 그 상부에 광학유니트의 조립에 의한 카메라 모듈 제작 시 휴대용 단말기의 슬림화에 대응되는 경박단소화를 만족시킬 수 있는 이점이 있다.
Claims (12)
- 상면 중앙부에 수광부가 구비되고, 그 테두리부를 따라 등간격으로 다수의 접속 패드가 형성된 이미지센서;상기 이미지센서의 상면에 부착 고정되고, 상기 수광부가 노출되도록 중앙부에 윈도우 캐비티가 형성됨과 아울러 상기 이미지센서의 패드와 대응되는 위치에 다수의 비아가 천공된 더미 기판;상기 더미 기판 상부에 지지되는 IR필터 글라스; 및상기 IR필터 글라스 외측의 더미 기판 상부에 상기 비아와 전기적으로 연결 가능하게 형성된 솔더 볼;을 포함하는 웨이퍼 레벨 칩 스케일 패키지.
- 제1항에 있어서,상기 더미 기판에 형성된 비아는, 관통홀로 구성되고 내부에 금속 재질의 도전성 충진재가 채워지며, 상기 이미지센서 상면의 패드 상에 돌출 형성된 범프를 통해 전기적으로 접속된 것을 특징으로 하는 웨이퍼 레벨 칩 스케일 패키지.
- 제2항에 있어서,상기 범프는, Au, Cr, Al, Sn 중 어느 하나의 물질로 구성된 것을 특징으로 하는 웨이퍼 레벨 칩 스케일 패키지.
- 제1항에 있어서,상기 더미 기판은, 접착제 도포에 의한 폴리머 격벽에 의해서 이미지센서 상면에 부착되는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 레벨 칩 스케일 패키지.
- 제1항에 있어서,상기 더미 기판은, 세라믹 웨이퍼로 구성되어 그 두께가 상기 글라스보다 얇고 300㎛ 이상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 레벨 칩 스케일 패키지.
- 제1항에 있어서,상기 더미 기판은, 상면과 하면 중 어느 일면에 재분배 레이어(redistribution layer)를 형성하기 위한 패터닝이 수행된 것을 특징으로 하는 웨이퍼 레벨 칩 스케일 패키지.
- 상면 중앙부에 수광부가 구비된 다수의 이미지센서가 정렬된 이미지센서 웨이퍼 상면에 더미 웨이퍼가 본딩 결합되는 단계;상기 더미 웨이퍼에 등간격으로 다수의 비아와 캐비티가 형성되고, 그 상부에 IR 필터층이 구비된 글라스가 부착되는 단계;상기 더미 웨이퍼의 상면 테두리부를 따라 상기 비아와 대응되는 위치에 다수의 솔더 볼이 형성되는 단계; 및상기 웨이퍼 상태로 완성된 패키지를 절단하여 개별적으로 분리하는 단계;를 포함하는 웨이퍼 레벨 칩 스케일 패키지의 제조방법.
- 제7항에 있어서,상기 더미 웨이퍼가 이미지센서 웨이퍼에 본딩 결합되기 전 단계에서,상기 더미 웨이퍼에 건식 또는 습식 에칭에 의해서 비아가 형성되는 단계;상기 웨이퍼의 일면이 패터닝되어 재분배 레이어가 형성되는 단계;상기 비아의 내부로 금속 재질의 충진재가 채워지는 단계; 및상기 비아의 내측으로 윈도우 캐비티가 형성되는 단계;의 더미 웨이퍼 형성 단계가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 레벨 칩 스케일 패키지의 제조방법.
- 제8항에 있어서,상기 비아는, 상기 더미 웨이퍼면에 형성된 레지스트층을 에칭할 부분만 오픈하여 DRIE(Dry Reactive Ion Etching)에 의한 건식 에칭이 수행되도록 하거나, Si3N4의 성막에 의해 소정 형상의 레지스트 패턴이 형성되지 않은 부분에 대하여 습식 에칭이 수행됨에 의해서 형성되는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 레벨 칩 스케일 패키지의 제조방법.
- 플립 칩 본딩 방식으로 제작되는 카메라 모듈에 있어서,원반형의 웨이퍼 상에서 제작되어 단위 패키지별로 절단된 제1 내지 제5항 중 어느 한 항에 기재된 웨이퍼 레벨 칩 스케일 패키지;상기 칩 스케일 패키지에 구비된 솔더 볼에 의한 플립 칩 본딩에 의해서 부착 고정되는 인쇄회로기판; 및상기 인쇄회로기판과 칩 스케일 패키지의 전면과 측면이 복개되도록 장착되는 하우징 및 상기 하우징의 상부에 나사 결합에 의해서 일체로 결합되는 렌즈배럴로 이루어진 광학유니트;를 포함하는 카메라 모듈.
- 제10항에 있어서,상기 하우징은, 그 하단부가 상기 칩 스케일 패키지의 최하부층을 이루는 이미지센서의 저면보다 50㎛ 내지 100㎛ 정도 길게 형성된 것을 특징으로 하는 카메라 모듈.
- 제10항에 있어서,상기 칩 스케일 패키지는, 상기 더미 기판 상부의 IR필터 글라스의 외측에 형성된 솔더 볼의 돌출 부위 주위로 접착제에 의한 접착 보강용 언더 필(under fill)(U)이 형성된 것을 특징으로 하는 카메라 모듈.
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