TW201436187A - 低輪廓感測器模組及其製造方法 - Google Patents

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Abstract

一種主基材總成包括：一第一基材，其具有相對第一與第二表面；一孔，係延伸穿過該第一基材；多數電路層；及多數第一接觸墊，係電氣地耦合該等電路層。一感測器晶片包括：一第二基材，其具有相對第一與第二表面；多數光偵測器，係形成在該第二基材上或中且組配成可接受入射在該第二基材第一表面上之光；及多數第二接觸墊，係形成在該第二基材第一或第二表面且與該等光偵測器電氣地耦合。一分隔件係安裝在該第二基材第一表面上。一保護基材係安裝在該分隔件上且設置在該等光偵測器上方。多數導電導管各延伸穿過該分隔件且與其中一第二接觸墊電氣接觸。多數電氣連接器電氣地連接該等第一接觸墊及該等導管。

Description

低輪廓感測器模組及其製造方法
這申請案請求2013年3月12日申請之美國暫時申請案第61/778,238號之利益，且該申請案在此加入作為參考。
本發明係有關於微電子裝置之封裝，且更特別地有關於光學半導體裝置之一封裝。
半導體裝置之趨勢是更小之積體電路(IC)裝置(亦稱為晶片)，且該等積體電路裝置封裝在更小封裝體(保護晶片同時提供晶片外通訊(off chip signaling)連接性)中。其中一例係影像感測器，該等影像感測器係包括將入射光轉換成電信號(以良好空間解析度準確地反映之光偵測器之強度及顏色資訊)之IC裝置。
在發展用於影像感測器之晶圓級封裝解決方法之背後有不同驅動力。例如，較小形狀因子(即用以達成最高容量/體積比率之較大密度)克服空間限制且可得到較小相機模組解決方法。較大電氣效能可以較短互連長度達成，且該較短互連長度增加電氣效能及因此裝置速度，並且大幅降低晶片電力消耗。非均質整合可整合不同功能層(例如整合高與低解析度影像感測器，整合該影像感測器與 其處理器等)。
目前，板載晶片(COB-其中裸晶直接安裝在一印刷電路板上)及Shellcase晶圓級CSP(其中該晶圓係積層在兩片玻璃之間)係用以建構影像感測器模組(例如用於行動裝置相機、光學滑鼠等)之主要封裝及組裝程序。但是，隨著影像感測器使用之像素越來越高，由於組裝限制、尺寸限制(該需求係針對較低輪廓裝置而言)、產率問題及用以封裝8與12英吋影像感測器晶圓之現金投資，COB及Shellcase WLCSP組裝變得越來越困難。
需要提供符合經濟效益且可靠(即，提供必須之機械支持及電氣連接性)之一低輪廓封裝解決方法之一改良封裝體及封裝技術。
一種影像感測器封裝體包括一主基材總成及一感測器晶片。該主基材總成包括：一第一基材，其具有相對第一與第二表面；一孔，係在該等第一與第二表面之間延伸穿過該第一基材；一或一以上電路層；及多數第一接觸墊，係電氣地耦合該等一或一以上電路層。該感測器晶片包括：一第二基材，其具有相對第一與第二表面；多數光偵測器，係形成在該第二基材上或中且組配成可接受入射在該第二基材之該第一表面上之光；及多數第二接觸墊，係形成在該第二基材之該第一表面或該第二表面且與該等光偵測器電氣地耦合。一分隔件係安裝在該第二基材之該第一表面上。一保護基材係安裝在該分隔件上且設置 在該等多數光偵測器上方。多數電導管係各由導電材料形成且延伸穿過該分隔件並且與其中一第二接觸墊電氣接觸。多數電氣連接器係各電氣地連接其中一第一接觸墊及其中一電導管。
在該影像感測器封裝體之另一方面，它包括一主基材總成及一感測器晶片。該主基材總成包括：一第一基材，其具有相對第一與第二表面；一孔，係在該等第一與第二表面之間延伸穿過該第一基材；一或一以上電路層；及多數第一接觸墊，係電氣地耦合該等一或一以上電路層。該感測器晶片包括：一第二基材，其具有相對第一與第二表面；多數光偵測器，係形成在該第二基材上或中且組配成可接受入射在該第二基材之該第一表面上之光；及多數第二接觸墊，係形成在該第二基材之該第一表面或該第二表面且與該等光偵測器電氣地耦合。一保護基材係安裝在該第二基材上，其中該保護基材包括形成在其一表面中之孔穴且設置在該等多數光偵測器上方。多數電導管係各由導電材料形成且延伸穿過該保護基材並且與其中一第二接觸墊電氣接觸。多數電氣連接器係各電氣地連接其中一第一接觸墊及其中一電導管。
一種形成影像感測器封裝體之方法包括提供包括相對第一與第二表面之一第一基材，在該等第一與第二表面之間延伸穿過該第一基材之一孔，一或一以上電路層，及電氣地耦合該等一或一以上電路層之多數第一接觸墊；提供一感測器晶片，該感測器晶片包括具有相對第一 與第二表面之一第二基材，形成在該第二基材上或中且組配成可接受入射在該第二基材之該第一表面上之光的多數光偵測器，及形成在該第二基材之該第一表面或該第二表面且與該等光偵測器電氣地耦合之多數第二接觸墊；將一分隔件安裝在該第二基材之該第一表面上；將一保護基材安裝在該分隔件上，其中該保護基材係設置在該等多數光偵測器上方；形成多數導電材料之電導管，且各電導管延伸穿過該分隔件且與其中一第二接觸墊電氣接觸；及形成多數電氣連接器，且各電氣連接器電氣地連接其中一第一接觸墊及其中一電導管。
在形成影像感測器封裝體之方法之另一方面，它包括：提供包括相對第一與第二表面之一第一基材，在該等第一與第二表面之間延伸穿過該第一基材之一孔，一或一以上電路層，及電氣地耦合該等一或一以上電路層之多數第一接觸墊；提供一感測器晶片，該感測器晶片包括具有相對第一與第二表面之一第二基材，形成在該第二基材上或中且組配成可接受入射在該第二基材之該第一表面上之光的多數光偵測器，及形成在該第二基材之該第一表面或該第二表面且與該等光偵測器電氣地耦合之多數第二接觸墊；將一保護基材安裝在該第二基材上，其中該保護基材包括形成在其一表面中之孔穴且設置在該等多數光偵測器上方；形成多數導電材料之電導管，且各電導管延伸穿過該保護基材並且與其中一第二接觸墊電氣接觸；及形成多數電氣連接器，且各電氣連接器電氣地連接 其中一第一接觸墊及其中一電導管。
本發明之其他目的及特徵將藉由檢視說明書、申請專利範圍及附圖而了解。
10‧‧‧晶圓(基材)
12‧‧‧影像感測器
14‧‧‧光偵測器
16‧‧‧電路
18‧‧‧接觸墊
20‧‧‧濾色器及/或微透鏡
22‧‧‧保護基材
24‧‧‧分隔件
26‧‧‧孔穴
28‧‧‧通孔
30‧‧‧導電材料
32‧‧‧互連物
34‧‧‧主基材
36‧‧‧接觸墊
38‧‧‧電路層
40‧‧‧孔
42‧‧‧透鏡模組
44‧‧‧殼體
46‧‧‧透鏡
50‧‧‧支持基材
52‧‧‧黏著劑
54‧‧‧絕緣層
圖1A至1F係依序顯示形成該影像感測器總成之步驟之橫截面側視圖。
圖2A至2D係依序顯示形成該封裝影像感測器總成之另一實施例之步驟之橫截面側視圖。
圖3A至3B係依序顯示形成該封裝影像感測器總成之第二另一實施例之步驟之橫截面側視圖。
圖4係顯示該影像感測器總成之一第三另一實施例之橫截面側視圖。
圖5係顯示該影像感測器總成之一第四另一實施例之橫截面側視圖。
圖6係顯示該影像感測器總成之一第五另一實施例之橫截面側視圖。
本發明係有關於相機模組及微電子影像感測器裝置之封裝，且更特別地有關於形成包括一低輪廓晶圓級封裝影像感測器之一低輪廓晶片級相機模組。
第1A至1F顯示該封裝影像感測器之形成步驟。該形成步驟以一晶圓10(基材)開始，且該晶圓10上含有多數影像感測器12，如圖1A所示。各影像感測器12包括多數光偵測器14，支持電路16及接觸墊18。該等接觸墊18係與該 等光偵測器14及/或用以提供晶片外通訊之支持電路16電氣地連接。各光偵測器14將光能轉換成一電壓信號。可包括另外之電路以放大該電壓，及/或將該電壓轉換成數位資料。濾色器及/或微透鏡20可安裝在該等光偵測器14上。這種感測器在所屬技術領域中是習知的，且在此不再說明。
一保護基材22透過多數分隔件24安裝在基材10上。較佳地，該基材22及該等分隔件24形成多數孔穴26，且各孔穴26分開地封裝其中一感測器12。孔穴26宜大到足以覆蓋各感測器12之全部作用感測器面積，但是不延伸在該等接觸墊18上方。該保護基材22及分隔件24係藉由環氧樹脂、聚合物、樹脂或任何其他適當接合黏著劑及方法接合在該影像感測器基材10之作用側上。基材22可為一聚合物、玻璃、一玻璃與聚合物之複合材、或任何其他透明材料。較佳地，該基材22係具有一在50至1000μm之範圍內之厚度的玻璃。分隔件24可由具有一在5至500μm之範圍內之較佳高度的環氧樹脂、聚合物、樹脂、玻璃、焊料遮罩或任何其他適當材料製成。得到之結構係顯示在圖1B中。
矽薄化可藉由機械研磨、化學機械拋光(CMP)、濕式蝕刻、常壓氣流電漿(ADP)、乾式化學蝕刻(DCE)及前述程序之組合或任何另一適當矽薄化方法達成以減少基材10之厚度。該基材10之薄化厚度之一非限制例係在50至500μm之範圍內，例如大約200μm。多數通孔28接著形成在基材22之頂表面上且一直延伸穿過基材22並且穿過分 隔件24以暴露接觸墊18。通孔28可藉由光刻法，接著電漿蝕刻、雷射鑽孔、濕式蝕刻或任何另一適當通孔形成方法製成。較佳地，使用雷射鑽孔，且該等通孔28之底部不大於該等接觸墊18使得該基材10之矽之部份沒有暴露。該等通孔28之頂開口宜大於其底開口，為各通孔28產生一漏斗形狀。得到之結構係顯示在圖1C中。
以例如銀、銅、鋁、金、導電聚合物、導電黏著劑、前述材料之組合或任何其他適當導電材料之一導電材料30填充該等通孔28。PVD(物理蒸氣沈積)、電鍍、網版印刷或任何其他適當分配方法，可在該等通孔28中沈積該導電材料30。該導電材料30形成各延伸穿過該保護基材22及分隔件24之多數電導管。接著在該導電材料30上形成或沈積多數電氣互連物32。互連物32可為BGA、柱凸塊、電鍍凸塊、導電聚合物凸塊、銅柱、微柱或任何其他適當互連結構。或者，互連物30可以它們與該導電材料30電氣接觸之方式形成為與通孔28相鄰。可利用機械刀片切割設備、雷射切割或任何其他適當程序達成組件之晶圓級切割/單粒化以將各影像感測器12分成分開之晶粒。得到之結構係顯示在圖1D中。
接著可透過互連物32安裝該單粒化封裝感測器晶粒至一主基材34，且該主基材34具有多數接觸墊36、電路層38及位在影像感測器12上方之一孔40，如圖1E所示。該主基材34可為一有機彎曲PCB、FR4 PCB、矽(硬)、玻璃、陶瓷或任何其他種類之適當基材。
一透鏡模組42可安裝在該感測器12上，如圖1F所示。一示範透鏡模組42可包括與該主基材34接合之一殼體44，其中該殼體44支持一或一以上透鏡46在該感測器12上。對這最終結構而言，該影像感測器12係藉由互連物32固定在主基材34之一側，且透鏡模組42係固定在該主基材34之另一側，其中該透鏡模組聚焦入射光通過孔40，通過保護基材22，且到達光偵測器14上。保護基材22保護影像感測器12不受污染。導電材料30電氣地連接接觸墊18及互連物32，且該等互連物32再電氣地連接主基材34之接觸墊36及電路層38。
圖2A至2D顯示該封裝影像感測器之另一實施例之形成步驟。該形成步驟以圖1A所示之相同結構開始，但是該等接觸墊18係設置在光可入射至其上之該基材10之相對表面上。這組態可包括多數背側照明感測器裝置(BSI)，其中該等光偵測器14係形成為與該基材之相對表面相鄰作為該等接觸墊18或該等光偵測器係組配成可偵測通過該相對表面進入該基材10之光。該基材10係使用一適當黏著劑52安裝在一支持基材50上，如圖2A所示。接著藉由保護基材22及分隔件24密封該等感測器，且藉由以上參照圖1B與1C所述之相同技術薄化該支持基材50，以產生圖2B所示之結構。
接著，如以上參照圖1C所述地，該等通孔28形成在基材22之頂表面中且一直延伸通過基材22並且通過分隔件24。此外，該等通孔28延伸通過基材10以藉由另一 矽蝕刻暴露接觸墊18。該等通孔28之側壁內襯一絕緣層54，如聚醯亞胺、陶瓷、聚合物、聚合物複合材、聚對二甲苯、矽氧化物、環氧樹脂、聚矽氧、氮化物、玻璃、樹脂及/或前述材料之組合或任一其他適當介電材料。較佳地，絕緣層54係二氧化矽，且係藉由在全部結構上沈積該層材料54，接著沈積一光阻層而形成。該光阻層係藉由光刻法圖案化以便除了通孔28之側表面以外移除該光阻層，暴露層54之剩餘部份(即，在該等水平表面上)。使用一蝕刻移除層54之該等暴露部份，留下圖2C所示之結構(在移除該光阻後)。
接著實施以上參照圖1D至1F所述之加工步驟(即形成導電材料30及互連物32，以單粒化該晶粒，安裝至主基材34上，且包括透鏡模組42)，這產生圖2D所示之結構。
圖3A與3B顯示該封裝影像感測器之一第二另一實施例之形成步驟，其中該等通孔28及導電材料30未穿過該保護基材22。該形成步驟以圖1B所示之相同結構開始。在該基材10之矽薄化後，宜藉由使用雷射切割設備、機械鋸切及前述程序之組合或任何其他適當玻璃切割方法，切割及移除在該等接觸墊18上之保護基材22之該等部份，如圖3A所示。雷射切割係較佳方法，且暴露在該等接觸墊18上方之分隔件24之多數部份。
以類似於以上參照圖1C所述之方式，穿過該等分隔件24形成該等通孔28以暴露該等接觸墊18。接著如以 上參照圖1D至1F所述地實施該等加工步驟，以產生圖3B所示之結構。因為該保護基材22可至少部份地突入該孔40，故這實施例之總厚度可小於圖1F之實施例之總厚度。
圖4顯示該封裝影像感測器之一第三另一實施例，其中在實施如以上參照圖2C至2D所示之剩餘加工步驟之前，如以上參照圖3A所述地切割該保護基材22係施加於圖2B之結構。因為該保護基材22可至少部份地突入該孔40，故這實施例之總厚度可小於圖2D之實施例之總厚度。
應了解的是本發明不限於上述及在此所示之實施例，而是包含落在附加申請專利範圍之範疇內之任一或所有變化。例如，本發明在此提及者不是意圖限制任一申請專利範圍或申請專利範圍用語之範疇，而只是提及可被一或一以上申請專利範圍涵蓋之一或一以上特徵。上述材料、程序及數字例只是例示，且不應被視為限制申請專利範圍。此外，由申請專利範圍及說明書可了解，不是所有方法步驟均必須以所示或聲明之精確順序實施，而是以容許適當形成本發明之封裝影像感測器之任一順序實施。例如，各感測器晶粒、分隔件24可為一單一元件或多數分隔元件。或者，可由圖1F與2D之實施例省略分隔件24，且在基材22之底表面中可形成多數孔穴26(例如藉由光刻蝕刻)，分別如圖5與6所示，其中通孔28及導電材料30係形成為穿過基材22。最後，多數單層材料可形成為多數層該等或類似材料，且反之亦然。
應注意的是，在此使用之用語“在...上方”及“在...上”均內含地包括“直接在...上”(沒有中間材料、元件或空間設置在其間)及“間接在...上”(中間材料、元件或空間設置在其間)。類似地，該用語“相鄰”包括“直接相鄰”(沒有中間材料、元件或空間設置在其間)及“間接相鄰”(中間材料、元件或空間設置在其間)，“安裝在”包括“直接安裝”(沒有中間材料、元件或空間設置在其間)及“間接安裝”(中間材料、元件或空間設置在其間)，且“電氣耦合”包括“直接電氣耦合”(沒有中間材料或元件設置在其間且電氣連接該等元件在一起)及“間接安裝”(中間材料或元件設置在其間且電氣連接該等元件在一起)。例如，形成一元件“在一基材上”可包括在該基材上直接形成該元件且沒有中間材料/元件在其間，及在該基材上間接形成該元件且一或一以上中間材料/元件在其間。
10‧‧‧晶圓(基材)
12‧‧‧影像感測器
18‧‧‧接觸墊
22‧‧‧保護基材
30‧‧‧導電材料
32‧‧‧互連物
34‧‧‧主基材
36‧‧‧接觸墊
38‧‧‧電路層
42‧‧‧透鏡模組
44‧‧‧殼體
46‧‧‧透鏡

Claims (26)

  1. 一種影像感測器封裝體，包含：一主基材總成，包括：一第一基材，其具有相對第一與第二表面；一孔，係在該等第一與第二表面之間延伸穿過該第一基材；一或一以上電路層；及多數第一接觸墊，係電氣地耦合該等一或一以上電路層；一感測器晶片，包括：一第二基材，其具有相對第一與第二表面；多數光偵測器，係形成在該第二基材之上或之中且組配成可接受入射在該第二基材之第一表面上之光；及多數第二接觸墊，係形成在該第二基材之第一表面或第二表面處且與該等光偵測器電氣地耦合；一分隔件，係安裝在該第二基材之第一表面上；一保護基材，係安裝在該分隔件上且設置在該等多數光偵測器上方；多數電導管，係各由導電材料形成且延伸穿過該分隔件並且與其中一第二接觸墊電氣接觸；以及多數電氣連接器，係各電氣地連接其中一第一接觸墊及其中一電導管。
  2. 如請求項1之影像感測器封裝體，更包含：一透鏡模組，係安裝至該主基材總成，其中該透鏡模組包括一或一以上透鏡而其設置成用以將光聚焦通過該孔且到達該等光偵測器上。
  3. 如請求項2之影像感測器封裝體，其中：該透鏡模組係安裝至該第一基材之第一表面；且該等第一接觸墊係設置在該第一基材之第二表面處。
  4. 如請求項1之影像感測器封裝體，其中各電導管具有一漏斗形橫截面。
  5. 如請求項1之影像感測器封裝體，其中該等第二接觸墊係形成在該第二基材之第一表面處。
  6. 如請求項5之影像感測器封裝體，其中各電導管亦延伸穿過該保護基材。
  7. 如請求項5之影像感測器封裝體，其中該保護基材係至少部份地設置在該孔中。
  8. 如請求項1之影像感測器封裝體，其中該等第二接觸墊係形成在該第二基材之第二表面處，且其中各電導管亦延伸穿過並且與該第二基材之至少一部份絕緣。
  9. 如請求項8之影像感測器封裝體，更包含：一支持基材，係安裝至該第二基材之第二表面。
  10. 如請求項8之影像感測器封裝體，其中各電導管亦延伸穿過該保護基材。
  11. 如請求項8之影像感測器封裝體，其中該保護基材係至少部份地設置在該孔中。
  12. 一種影像感測器封裝體，包含：一主基材總成，包括：一第一基材，其具有相對第一與第二表面；一孔，係在該等第一與第二表面之間延伸穿過該第一基材；一或一以上電路層；及多數第一接觸墊，係電氣地耦合該等一或一以上電路層；一感測器晶片，包括：一第二基材，其具有相對第一與第二表面；多數光偵測器，係形成在該第二基材之上或之中且組配成可接受入射在該第二基材之第一表面上之光；及多數第二接觸墊，係形成在該第二基材之第一表面或第二表面處且與該等光偵測器電氣地耦合；一保護基材，係安裝在該第二基材上，其中該保護基材包括形成在其一表面中之孔穴且設置在該等多數光偵測器上方；多數電導管，係各由導電材料形成且延伸穿過該保護基材並且與其中一第二接觸墊電氣接觸；以及多數電氣連接器，係各電氣地連接其中一第一接觸墊及其中一電導管。
  13. 如請求項12之影像感測器封裝體，更包含：一透鏡模組，係安裝至該主基材總成，其中該透 鏡模組包括一或一以上透鏡而其設置成用以將光聚焦通過該孔且到達該等光偵測器上。
  14. 如請求項12之影像感測器封裝體，其中：該透鏡模組係安裝至該第一基材之第一表面；且該等第一接觸墊係設置在該第一基材之第二表面處。
  15. 如請求項12之影像感測器封裝體，其中各電導管具有一漏斗形橫截面。
  16. 如請求項12之影像感測器封裝體，其中該等第二接觸墊係形成在該第二基材之第一表面處。
  17. 如請求項12之影像感測器封裝體，其中該等第二接觸墊係形成在該第二基材之第二表面處，且其中各電導管亦延伸穿過並且與該第二基材之至少一部份絕緣。
  18. 如請求項17之影像感測器封裝體，更包含：一支持基材，係安裝至該第二基材之第二表面。
  19. 一種形成影像感測器封裝體之方法，包含：提供包括相對第一與第二表面的一第一基材、在該等第一與第二表面之間延伸穿過該第一基材的一孔、一或一以上電路層、及電氣地耦合該等一或一以上電路層的多數第一接觸墊；提供包括一第二基材而該第二基材具有相對第一與第二表面的一感測器晶片、形成在該第二基材之上或之中且組配成可接受入射在該第二基材之第一表面上之光的多數光偵測器、及形成在該第二基材之第一表面或第二表面且與該等光偵測器電氣地耦合的多數 第二接觸墊；將一分隔件安裝在該第二基材之第一表面上；將一保護基材安裝在該分隔件上，其中該保護基材係設置在該等多數光偵測器上方；形成具導電材料之多數電導管，且各電導管延伸穿過該分隔件且與其中一第二接觸墊電氣接觸；及形成多數電氣連接器，且各電氣連接器電氣地連接其中一第一接觸墊及其中一電導管。
  20. 如請求項19之方法，更包含：將一透鏡模組安裝至該主基材總成，其中該透鏡模組包括一或一以上透鏡而其設置成用以將光聚焦通過該孔且到達該等光偵測器上。
  21. 如請求項19之方法，其中該等第二接觸墊係形成在該第二基材之第一表面處，且其中形成該等多數電導管之步驟更包含：使各電導管形成為延伸穿過該保護基材。
  22. 如請求項19之方法，其中該等第二接觸墊係形成在該第二基材之第二表面處，且其中形成該等多數電導管之步驟更包含：使各電導管形成為延伸穿過且與該第二基材之至少一部份絕緣。
  23. 一種形成影像感測器封裝體之方法，包含：提供包括相對第一與第二表面的一第一基材、在該等第一與第二表面之間延伸穿過該第一基材的一孔、一或一以上電路層、及電氣地耦合該等一或一以上電路層的多數第一接觸墊； 提供包括一第二基材而該第二基材具有相對第一與第二表面的一感測器晶片、形成在該第二基材之上或之中且組配成可接受入射在該第二基材之第一表面上之光的多數光偵測器、及形成在該第二基材之第一表面或第二表面且與該等光偵測器電氣地耦合的多數第二接觸墊；將一保護基材安裝在該分隔件上，其中該保護基材包括形成在其一表面中之孔穴且設置在該等多數光偵測器上方；形成具導電材料之多數電導管，且各電導管延伸穿過該保護基材並且與其中一第二接觸墊電氣接觸；及形成多數電氣連接器，且各電氣連接器電氣地連接其中一第一接觸墊及其中一電導管。
  24. 如請求項23之方法，更包含：將一透鏡模組安裝至該主基材總成，其中該透鏡模組包括一或一以上透鏡而其設置成用以將光聚焦通過該孔且到達該等光偵測器上。
  25. 如請求項23之方法，其中該等第二接觸墊係形成在該第二基材之第一表面處。
  26. 如請求項23之方法，其中該等第二接觸墊係形成在該第二基材之第二表面處，且其中形成該等多數電導管之步驟更包含：使各電導管形成為延伸穿過且與該第二基材之至少一部份絕緣。
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