TW200836310A - Wafer level image sensor package with die receiving cavity and method of making the same - Google Patents

Description

200836310 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 且有於晶圓級封農結構，特定而言係有關於 妾收凹孔之載版(基板)以用於接收影像感測 為日日拉之日日圓級封裝結構。 【先前技術】 之尺牛之領域中，元件之密度持續增加且_ 小。為配合上述情況，*此高密 =.連技：之需求亦曰益增加。傳統上，覆晶封裝 面!V:附者方法中焊錫凸塊陣列係形成於晶粒之表 °卜凸塊之形成可利用焊踢複合材料透過防焊層 ;及1= 包含功率分配、信號分配、散熱、保 導。f半導體變為更加複雜，傳統封裝技術例如

C 軟性封裝、剛性封裝技術已無法滿足欲產生 具較尚您度元件之較小晶片之需求。 ，外’因傳統封裝技術必須將晶圓上之晶粒分割成各 j:粒且接著各別封裝該晶粒，故此類技術對於製造程 展為耗時。因晶片封裝技術係大為受到積體電路發 亦係ΓΓ故當電子裝置之尺寸變為高要求時，封裝技術 之錫二鱼。由於上述之理由，封裝技術之趨勢係朝向現今 曰錫東陣歹<1 (BGA)、覆晶封裝（覆晶錫球陣列（fc_bga))、 (;=、:了“CSP)、晶圓級封裝(WLP)。「晶圓級封裝」 )係被瞭解為晶圓上整體封裝、所有互連及其他程序 6 200836310 步驟係於分離成晶粒之前施行。一般而言，於完成所有組 ^程序或封裝程序之後，獨立之半導體封裝係與具數個半 導體晶粒之晶圓分開。該晶圓級封裝具有極小之尺寸並結 合極佳之電子特性。 。 晶圓級封裝（WLP)技術係為高級封裝技術，藉其晶粒 係於晶圓上予以製造及測試，且接著藉切割而分於 在表面黏著生產線中組裝。因晶圓級封裝技術利用整個晶 f圓作為二標’而非利用單―晶片或晶粒，因此於進行分離 鞋序之則，封裝及測試皆已完成。此外，晶圓級封裝（机ρ) 係如此之高級技術，因此線接合、晶粒黏著及底部填充之 =可予以忽略。藉利用晶圓級封裝技術，可減少成本及 Li且晶圓級封裝之最終結構尺寸可相當於晶粒大 小，故此技術可滿足電子裝置之微型化需求。 哔曰曰W、、及封衣技術具有上述優點，然而仍存在一些 封裝技術之接受度之問題。例如，雖湘晶圓級 =術可減少積體電路與互連基板間之熱膨脹係數 材料間之熱膨脹係數差昱變:寸二 :關鍵因素。再者，於此= =體=序ΤΓ係透 墊進入數個區域陣列形之金屬 知錫球係直㈣接於金屬塾上，而金屬墊係用重 祆序以區域陣列形式形成。一古， /、 佈又p有經堆疊之重分 上之積層上。因此，封裝之厚度會增加。 200836310 其可能與減少晶片尺寸之需求相牴觸。 關於利用晶片直接封裝（C0B)或具線接合結構之 線晶片封裝（LCC)之傳統封裝影像感測器元件之方法受 於製程期間之產量問題，其係由於微透鏡區域上 程程序後移除之粒子汙染。 表 口此本發明提供無需堆疊積層&重分佈層之擴散型 晶圓級封裝結構’以減少封裝厚度，以便克服上述問題， 且亦提供較佳之電路板級溫度循環測試可靠度。 【發明内容】 本發明係提供具有晶粒接收凹孔之晶圓級影像感測器 封裝結構。本具有晶粒接收凹孔之晶圓級影像感測器封裝 結構包含基板，其具有形成於基板上層内之晶粒接收凹 孔，其中終端墊係形成於工件之上表面及外部上。晶粒係 藉由黏膠設置於晶粒接收凹孔内，而介電層係形成於晶粒 及基板上。重分佈金屬層（rDL)係形成於介電層上且耦合 至晶粒。 此領域之技藝者應注意，開孔係形成於介電層及頂部 保濩層内以暴露晶粒之微透鏡區域以用於互補型金屬氧化 物半導體影像感測器（CIS)。最後，塗佈有紅外線濾光片之 透明蓋係選擇性形成於微透鏡區域上以用於保護。 保護層（膜）係塗佈於影像感測器晶片之微透鏡區域 上，其具有防水及防油性，可避免微透鏡區域上之粒子污 染。保護層（膜）之厚度較佳為約O.i微米至0.3微米，且其 反射率接近空氣之反射率1。製程程序可以旋塗玻璃（s〇G) 200836310 = 可以”圓形式或板晶圓形式進行，最好係 以矽日日0形式以避免於隨後之程序期間受到粒子 護層之材料可為二氧化石夕、三氧化二銘或氟聚合物… 二電層包含彈性介電層、”電型材料、苯 (BCB)或聚㈣胺（ρι)。々介電型材料包含 另則，介電層包含感光層。 。 基板之材料包含有機環氧型耐高溫玻璃纖維板 (FR5)、雙馬來醯亞胺三氮雜苯樹脂(bt ⑽）、合金或金屬。合金包含鎳鐵合金⑽。y42)，^= 之鎳及58%之鐵所組成，或柯弗合金（K〇ver)，由μ%之 錄、17%之始及54%之鐵所組成。另則，基板之材料可0為 玻璃、陶瓷或矽。 马 【實施方式】 本發明將以較佳之實施例及觀點加以詳細敛述，而此 類敘述係解釋本發明之結構及程序，只用以說明而非用以 限制本發明之申請專利範圍。因此，除說明書中之較佳 施例之外，本發明亦可廣泛實行於其他實施例。 本發明係揭露晶圓級封裝結構及其方法，其利用形成 進入基板内之晶粒接收凹孔。感光材料係塗佈於晶粒及預 形成之基板上。感光材料之材質較佳係由彈性㈣所形成。' 第一圖係根據本發明之一會尬办丨3 貫轭例顯不擴散型晶圓級封 ”WLP)之橫切面示意圖。如第一圖所示，擴散 級封裝㈣醫)結構包含基板2，其具有晶粒接收凹孔4 200836310 形成於其中以接收晶粒16。終端墊8係設置於基板2之上 表面上且大體上與微透鏡位於同一平面。 晶粒16係設置於基板2上之晶粒接收凹孔4内且藉由 黏膠（晶粒附著）材料14固定。如此領域之技藝者所熟知， 接觸墊（接合墊）20係形成於晶粒16上。感光層或介電層 18係形成於晶粒16上且充填入晶粒16及凹孔4側壁間^ 工隙内。複數開孔係透過光微影姓刻程序或曝光及顯影程 序形成於介電層18内。重分佈層（RDL)24，亦稱為導線 24’係藉由移除形成於介電層18上之選定部分金屬層而予 以形成於介電層18上，其中重分佈層（RDL)24係透過輸出 入知墊（接合墊）20與晶粒16保持電性連接。部分之重分佈 層之材料係充填人介電層18内之開孔中，藉此形成接觸連 k王屬22及接合墊2〇。頂端保護層％係形成以覆蓋重分 佈層（RDL)24°另一保護層12’例如防焊環氧物（solder mask epoxy) ’係形成於基板2之下表面之下。 曰η電層18係形成於晶粒16及基板2之上方且充填入 晶粒2周目之空隙内。上述結構係構成平面閑格陣⑽ 型封裝（周圍型）。 項域之技藝者應注意，開孔4〇係形成於介電声1 $ 及頂端保護層26内以暴露晶粒16之微透鏡區域42,曰以用 於互補黯屬氧化物半導體影像感測器(CIS)。如第一 a圖 ::上保：層(膜)塗料50可形成於微透鏡區域42上之微 影^^孔^—般係藉由此領域之技#者所熟知之光微 X壬序形成。於一實施例中，開孔40之下部分可於連 200836310 通開孔形成期間開啟。開孔40之上部分係於頂端保護層 26澱積之㈣成。另則，整體之開孔4〇係於頂端保心 26形成之後藉由光微影蝕刻形《。保護層⑽)係塗佈於影 像感測器晶片之微透鏡區域上，其具有防水及防油性，可 避免微透鏡區域上之粒子污染。保護層⑻之厚度較佳為 約0.1微米至0.3微米，且其反射率接近空氣之反射率ι。 製程程序可以旋塗玻璃（s〇G)技術執行，I可以石夕晶圓形 f式或板晶圓形式進行，最好係以石夕晶圓形式以避免於隨後 ^程序期間受到粒子汗染。保護層之材料可為二氧化石夕、 二氧化一紹或氣聚合物。 最後，塗佈有紅外線濾光片（IR filter)之透明蓋44係 選擇性形成於微透鏡區域42上以用於保護。透明蓋私可 由玻璃、石英等組成。 一替代實施例可參閱第二圖。導電球3〇係形成於終端 墊8之上方。此類型稱為鍚球陣列（BGA)型。基板2之材 (料較佳為有機基板，例如具已定義凹孔之環氧型耐高溫玻 璃纖維板（FR5)、玻璃纖維板（FR4)、雙馬來醯亞胺三氮雜 苯樹脂（BT)、印刷電路板（PCB)或具預蝕刻電路之鎳鐵合金 (Al^0y42)。具高玻璃化轉變溫度（Tg)之有機基板為環氧型 耐南溫玻璃纖維板（FR5)或雙馬來醯亞胺三氮雜苯樹脂（BT) 型基板。鎳鐵合金（All〇y42)係由42%之鎳及58%之鐵所組 成。柯弗合金（Kover)亦可予以利用，其係由29%之鎳、17% 之鈷及54%之鐵所組成。玻璃、陶瓷或矽因具較低之熱膨 脹係數（CTE)故可予以利用為基板。 11 200836310 基板可為圓形例如晶圓型，其半徑可為200毫米、300 毫米或以上。基板亦可為矩形例如面板型。第三圖係顯示 用於板曰曰圓型之基板2之橫切面示意圖。於第三圖之上部 分中’第一圖之封裝單元係以陣列形式排列。切判線Μ 係定義於封裝單元之間以用於分離每一單元。 本發明之一實施例中，介電層18較佳為彈性介電材 料，其係以含石夕介電型材料組成，包含石夕氧院聚合物 (' (SINR)、道康寧（D〇w Corning)WL5000 系列及其結合。 、另-實施例中，介電層18係由包含苯環丁烯（bcb°^環 氧樹脂、聚亞醯胺（PI)或樹脂之材料所組成。其較㈣ 感光層以簡化製程。 ' 本發明之一實施例中，彈性介電層為一種具有大於 100 (ppmrc)之熱膨脹係數、約4〇%之伸長率（最好如％至 5〇 /〇)及’丨於塑膠及橡膠之間之硬度之材料。彈性介電層18 之厚度係取決於在溫度㈣測試期㈣積於重分佈声曰 電層介面内之應力。 曰 入人t發明之一實施例中，重分佈層24之材料包含鈦/銅/ i 口孟或鈦/銅/鎳/金合金’其厚度係於2微米至Μ微米之 間。欽/銅合金係藉由蘭技術形成作為種子金屬^銅 /金或銅/鎳/金合金係藉由電鑛技術形成。利用電』程序妒 使重分佈層具有足夠之厚度以抵抗温度循環 ^間之熱知脹係數不匹配。金屬# 2G可為銘或銅或直社 I ϋ擴散型晶圓級封裝（F0_WLP)結構利时氧㈣ϋ (sinr)作為彈性介電層且利用銅作為重分佈層之金屬， 12 200836310 :據=示於此之應力分析，累積於重分佈層/介電層介面 内之應力則會降低。 :第一圖及第二圖所示，重分佈層(咖)24係從晶粒 擴放出且朝位於工件（載板或基板）上部分上之終端塾8向 =通二其與於晶粒上堆疊積層因而增加封裝厚度之先前 ，術不同。上述先前技術係違反減少晶粒封裝厚度之規 則。反之，終端墊餘於王件之外表面上。因此，晶 :之：度明顯銳減。本發明之封裝將較先前技術為薄曰。此 〜卜差基板係於封裝之前預先備妥。晶粒接收凹孔4係預先 二Μ #將較以前得到A幅改善。本發明揭露 佈層（RDL)上堆疊積層之擴散型晶圓級封裝 2明之程序包含提供對準工具，其具有對準圖型形 …。接者，圖樣化黏著劑係予以印刷於工具上(用以 ^附晶粒之表面），接續為利用具覆晶功能之取 準 佈已知M子晶粒於工具上使其具期望之間距 材料於ΐ:ϋ將黏者晶片於工具上。之後，印刷晶粒附著 上。接著，板結合劑係用以將基板結合至 ^:侧上。基板之上表面除凹孔之外亦黏著於圖樣化黏 s、、後’可施行真空111化，且從板晶®分離該工具。 另則，亦可利用具良好對準之晶粒 口化以確保晶粒被附著於基板上。 一旦晶粒重分佈於基板上’則施行潔淨程序以濕式清 13 200836310 先及或乾式巧洗清潔晶粒表面。其後步驟為塗佈介電材料 J ^之後知行真空程序以確保無氣泡存於板内。接 者，、施行光微影餘刻程序以開啟通孔、紹接合墊、微透鏡 區域及/或切割線（選擇性）。之後，執行離子清洗（plasma clean)步驟以清洗通孔及鋁接合墊之表面。下一步驟為濺 鑛鈦/銅作為種子金屬層，及接著塗佈光阻（pR)於介電層及 種子金屬層上以用於形成重分佈金屬層圖形。接續，進行 (電鍍程序以形成銅/金或銅/鎳/金作為重分佈層金屬，隨後 剝除光阻（PR)及進行金屬濕餘刻以形成冑分佈層金屬導 線。其後，塗佈或印刷頂端保護層及開啟微透鏡區域及切 割線（選擇性）。 於α又置球或印刷焊錫糊劑後，施行熱迴融程序以迴焊 於基板側上（用於錫球陣列）。利用垂直式探針卡⑦⑺以ad) 施行板晶圓級最終測試。於測試之後，切割基板以分離封 瓜成獨立單疋。接著，封裝單元係各別取放至托盤或捲帶 及捲軸上。 本發明之優點為·· 基板係預先備妥預形成凹孔。凹孔尺寸係等於晶粒尺 寸於每一側約加100微米。藉由填充彈性介電材料可用作 為應力緩衝釋放區域，以吸收矽晶粒與基板（耐高溫玻璃纖 維板（FR5)、雙馬來醯亞胺三氮雜苯樹脂間熱膨脹係 數不匹配所造成之熱應力。由於應用簡化之積層於晶粒表 面上方’故封裝生產率將會增加（製造循環時間減少）。終 化墊係形成於與晶粒主動面（預先形成）同平面之平面上。 14 200836310 ^粒=置程序係與現行程序相同。本發明不需心黏膠（樹 二：：化合物、石夕膠等)填充程序。於板型製程期間無熱 雒;J/fp不匹配之問題，且晶粒及基板例如耐高溫玻璃纖 著材L5 之深度只有約2 5微米至3 〇微米（用於晶粒附 柘可^之厚度）。於晶粒附著於基板之凹孔上後，晶粒及基 同一水平面。唯獨含石夕型介電材料 f 、= ))係塗佈於晶粒主動面及基板(最好為耐高 維板㈣5)或雙馬㈣亞胺三氮雜苯樹脂（bt))表 。由於介電層（石夕氧烧聚合物（SINR))為感光層，故 利用光遮罩程序即得以開啟接觸連通結構。㈣烧聚合丈 佈期間之真空程序係用以消除氣泡問題。於基 一體之前，晶粒附著材料係印刷於晶粒之背 特別;^、及電路板級二者之可#度係較先前技術為佳， =板級溫度循環測試’乃因基板及印刷電路主機 ==係數為相同’故無熱機械應力作用於焊 二步驟簡化。亦㈣成多重晶粒 成於基板:上步驟2(H提供基板’其具有形 板之上声而之曰曰粒接收凹孔’其中終端墊形成於基 重分佈μ t °其後’於步驟2G2利用取放精密對準系統 之二tr之影像感測器晶月於工具上，使其具期望 之後，&牛 力步驟203附著黏谬材料於晶粒背側上。 b驟204結合基板至晶粒背側上，固化黏膠材料， 15 200836310 二離工具，塗佈介電材料於基板上以及施行真空程序。其 / μ ; 乂驟205開啟連通結構、微透鏡區域及輸出入焊墊。 接著，於步驟206濺鍍種子金屬層於介電層、連通結構及 輸出入知墊上。之後，於步驟2〇7形成重分佈金屬層於介 電層上。其後，於步驟2〇8形成頂端保護層於重分佈金屬 二上接著，於步驟209開啟頂端保護層以開啟微透鏡區 或之後，本晶圓級影像感測器封裝方法可選擇性包含步 ί 1 〇形成透明盍，其塗佈有紅外線濾光片且設置於微透 鏡區域上。 -雖本务明之較佳實施例已敘述如上，然而，此領域之 仑‘者將得以瞭解，本發明不應受限於所述之較佳實施 例二更確切言之，此領域之技藝者可於後附申請專利範圍 斤定義之本發明之精神及範圍内做若干改變或修改。 【圖式間單說明】 -一圖係為根據本發明之擴散型晶圓級封裝結構之橫 、 切面示意圖。 /、 楚 Λ

一一 圖係為根據本發明之擴散型晶圓級封裝之保護 層之示意圖。 /U 第一圖係為根據本發明之擴散型晶圓級封裝結 切面示意圖。 权 第二圖係為根據本發明之板形擴散型晶圓級封裝社 之橫切面示意圖。 、〜再 第四圖係為根據本發明之晶圓級影像感測 之流程圖。 3了展方法 16 200836310 * - 一 【主要元件符號說明】 2基板 40開孔 4晶粒接收凹孔 42微透鏡區域 8終端墊 44透明蓋 12保護層 50保護層（膜）塗料 14晶粒附者材料（黏膠材 201步驟 料） 202步驟 16晶粒 203步驟 18介電層 204步驟 20接合墊（接觸墊/金屬墊/ 205步驟 輸出入焊墊） 206步驟 22接觸連通金屬 207步驟 2 4重分佈層 208步驟 26頂端保護層 209步驟 28切割線 210步驟 30導電球 17

Claims (1)

1. 200836310 ' ” * 十、申請專利範圍： 1· 一種影像感測器封裝結構，包含： 一基板，其具有形成於該基板之上層内之一晶粒接收凹 孔，其中終端墊係形成於該基板之上表面上； 一晶粒，其具有一微透鏡區域且黏置於該晶粒接收凹 内； 一介電層，其形成於該晶粒及該基板上；以及 ( :重分佈導電層，其形成於該介電層上，其中該重分佈 導電層係輕合至該終端塾，纟中該介電層具有一開孔以 暴露該微透鏡區域。 2·如請求項1所述之影像感測器封裝結構，還包含-導電 球’其耦合至該終端墊。 3·如Μ求項1所述之影像感測器封裝結構，其中該介電芦 包含一彈性介電層。 曰 4. 如請求項1所述之影像❹Η!封裝結構，其中該介電層 之材料包含切介電型材料、苯環丁埽（Β⑶ 二 醯胺（ΡΙ)。 5.=請求項4所述之影像感測器封農結構，其中該含石夕介 ^型材料包切氧烧聚合物（smR)、道康寧（D〇w CGmmg)WL500〇系列或其結合。 18 200836310 6·如請求項 包含一 所述之影像感測器封裝結構，其中該介電層 如請求項 H 所述之影像感測器封裝結構，其中該重分佈 守电增之材料包含鈦/銅/金合金或鈦/銅/鎳/金合金。 =求項1所述之影像感測器封裝結構，其中該重分佈 V電層得從該晶粒擴散出。 ^二求項1所述之影像感測器封裝結構，其中該重分佈 ^電層得向上連通至該終端墊。 10·如請求項1所述之影像感測器封裝結構，其中該基板之 材料包含環氧型耐高溫玻璃纖維板（FR5)或玻璃纖維板 (FR4) 〇 u·如請求項1所述之影像感測器封裝結構，其中該基板之 材料包含雙馬來醯亞胺三氮雜苯樹脂（BT)。 12·如請求項1所述之影像感測器封裝結構，其中該基板之 材料包含印刷電路板（PCB)。 13 ·如請求項1所述之影像感測器封裝結構，其中該基板之 19 200836310 - ' * 0 材料包含合金或金屬。 14·如請求項13所述之影像感測器封裝結構，其中該人公 包含鎳鐵合金（Alloy42)(42°/。鎳_58%鐵）或柯弗合金 (Kover)(29%鎳-17%鈷-54%鐵）。 15·如請求項1所述之影像感測器封裝結構，其中該基板之 f 材料包含玻璃、石夕或陶瓷。 16·如請求項1所述之影像感測器封裝結構，還包含一保^ 層，其形成於該微透鏡區域上以保護微透鏡免於粒子^

   其中該保護 18·如請求項16所述之影像感測器封裝結構， 層具有防水及防油性。 蓋，其 上。 來項1所述之影像感測器封農結構，還 其塗佈有紅外線濾光片且形成於該微 還包含一透明 f啟透鏡區域之 包含： 種用於形成半導體元件封裝之方法 20 200836310 提供一基板，其具有形成於該基板之上層内之晶粒接收 凹孔，其中終端墊係形成於該基板之上表面上； 利用取放精密對準系統重分佈已知良好之影像感測器 晶片於工具上，使其具期望之間距； ° 附著黏膠材料於晶粒背側上； 結合該基板至該晶粒背侧上，固化該黏膠材料，分離哕 工具，塗佈介電材料於該基板上以及施行真空程序； 開啟連通結構、微透鏡區域及輸出入焊墊； ;賤鑛種子金>1^於該介H該S通結構及該 墊上； 知 形成重分佈金屬層於該介電層上； 開啟該頂端保護層以開啟該微透鏡區域。

   元件封裝之方法， ’其形成於該微透 形成頂端保護層於該重分佈金屬層上；以

   元件封裝之方法， 濾光片且設置於該