TWI544611B - 背照式光感測元件封裝體 - Google Patents
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Description
本發明是有關於一種光感測元件封裝體，且特別是有關於一種背照式光感測元件封裝體。
隨著影音多媒體的盛行，數位元影像設備相繼推出，其關鍵核心零組件光感測元件的地位也日益重要。光感測元件主要負責將光的影像訊號轉換成電的訊號，而依光感測元件的類型通常可分為電荷耦合元件(Charge Coupled Device,CCD)以及互補式金氧半導體(Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS)光感測元件等等。
圖1A繪示為習知的一種正面照光的光感測元件封裝體的剖面示意圖。圖1B繪示為習知的一種背面照光的光感測元件封裝體(亦稱作背照式光感測元件封裝體)的剖面示意圖。請參照圖1A，正面照光的光感測元件封裝體100A是將內連線層120設置在光感測元件陣列110的受光面S1上，並將微光學結構層140
以及彩色濾光層130設置在內連線層120上。因此，光束L除了通過微光學結構層140以及彩色濾光層130之外，還必須經過內連線層120，才能被光感測元件陣列110所接收。由於內連線層120中的金屬層122會反射光束而降低光感測元件陣列110所感測到的光強度，因此習知的正面照光的光感測元件封裝體100A有低光填充率(fill factor，指單一畫素中可接收到光束的面積對整個畫素的比例)以及低對比(contrast)等缺點。
因此，有技術提出一種背照式光感測元件封裝體100B(如圖1B所示)，其是將內連線層120設置於光感測元件陣列110的背面S2(指受光面S1的對面)，且將微光學結構層140以及彩色濾光層130設置在光感測元件陣列110的受光面S1上。因此，光束L僅需通過微光學結構層140以及彩色濾光層130而不需要經過內連線層120，即可被光感測元件陣列110所接收。如此一來，可以避免光束L被內連線層120反射，進而可以提升光感測元件封裝體100B的光填充率以及對比。
然而，位於背照式光感測元件封裝體100B的背面S2的內連線層120通常還需與線路基板(未繪示)連接，由於線路基板的熱傳導率不佳，以致背照式光感測元件封裝體100B無法順利地散熱，而產生漏電流，進而造成背照式光感測元件封裝體100B的靈敏度不佳、訊號干擾以及成像不均勻等問題。
本發明提供一種背照式光感測元件封裝體，其藉由改善漏電流的問題來提供良好的成像品質。
本發明的一種背照式光感測元件封裝體，其包括線路子基座、背照式光感測元件、多個導電端子以及散熱結構。背照式光感測元件包括內連線層以及光感測元件陣列，其中內連線層位於線路子基座上，且位於光感測元件陣列與線路子基座之間。導電端子位於內連線層與線路子基座之間，以電性連接內連線層與線路子基座。散熱結構位於內連線層下，且散熱結構與光感測元件陣列分別位於內連線層的兩對側。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
100A‧‧‧光感測元件封裝體
100B、200、300、400‧‧‧背照式光感測元件封裝體
110、224‧‧‧光感測元件陣列
120、222‧‧‧內連線層
122‧‧‧金屬層
130、250‧‧‧彩色濾光層
140、260‧‧‧微光學結構層
210‧‧‧線路子基座
212‧‧‧子基座
214‧‧‧線路層
214A、222A‧‧‧介電層
214B、222B‧‧‧銲墊
220‧‧‧背照式光感測元件
222C‧‧‧介層窗插塞
230‧‧‧導電端子
240A、240B、240C‧‧‧散熱結構
242‧‧‧導電柱
242A‧‧‧N型導電柱
242B‧‧‧P型導電柱
244A、244B‧‧‧散熱柱
252、254、256‧‧‧彩色濾光圖案
262‧‧‧微透鏡
510‧‧‧光感測元件基板
512‧‧‧基板
520‧‧‧暫時性基板
530、540‧‧‧黏著層
550‧‧‧蓋板
560‧‧‧電路板
570‧‧‧凸塊
580‧‧‧導電結構
L‧‧‧光束
S1‧‧‧受光面
S2‧‧‧背面
V1‧‧‧散熱貫孔
V2‧‧‧導電貫孔
圖1A是習知的一種正面照光的光感測元件封裝體的剖面示意圖。
圖1B是習知的一種背面照光的光感測元件封裝體的剖面示意圖。
圖2是依照本發明的一實施例的背照式光感測元件封裝的剖面示意圖。
圖3及圖4是依照本發明的其他實施例的背照式光感測元件封裝體的剖面示意圖。
圖5A至圖5G是依照本發明的一實施例的背照式光感測元件封裝的製作流程的剖面示意圖。
圖6及圖7是依照本發明的其他實施例的背照式光感測元件封裝體的剖面示意圖。
圖2是依照本發明的一實施例的背照式光感測元件封裝的剖面示意圖。請參照圖2，本實施例的背照式光感測元件封裝體200包括線路子基座210、背照式光感測元件220、多個導電端子230以及散熱結構240A。
線路子基座210包括子基座212以及配置於子基座212上的線路層214，其中線路層214例如包括介電層214A以及分布於介電層214A中的多個橫向的銲墊214B。
背照式光感測元件220可以是互補金氧半導體光感測元件或電荷耦合元件。進一步而言，背照式光感測元件220包括內連線層222以及光感測元件陣列224，其中內連線層222位於線路子基座210上，且位於光感測元件陣列224與線路子基座210之間。
內連線層222包括介電層222A、多層橫向的金屬層(包括多個銲墊222B)以及多個縱向的介層窗插塞222C，其中金屬層以及介層窗插塞222C通常為遮光的導電材料，例如是鎢、銅、鋁、
鋁銅合金或鋁矽銅合金等。
習知正面照光的光感測元件封裝體100A(繪示於圖1A)將內連線層120設置在光感測元件陣列110的受光面S1上，以致光束L需要經過內連線層120才可被光感測元件112所接收。因此，為避免內連線層120中易遮光的膜層(金屬層122)去遮蔽到光感測元件陣列110，必須去改變內連線層120中的線路佈局，以避開各光感測元件112的上方。相較之下，本實施例的內連線層222是配置於光感測元件陣列224的背面S2上，而非受光面S1上，因此可以不用去改變內連線層222中的線路佈局即可具有較佳的光填充率以及對比。
請再參照圖2，本實施例的導電端子230位於內連線層222與線路子基座210之間，以電性連接內連線層222與線路子基座210。進一步而言，內連線層222中的銲墊222B可透過導電端子230而與線路子基座210中對應銲墊222B的銲墊214B電性連接。
散熱結構240A位於內連線層222下，且散熱結構240A與光感測元件陣列224分別位於內連線層222的兩對側。由於散熱結構240A是配置於光感測元件陣列224的背面S2(指受光面S1的對面)，因此散熱結構240A的材料除了可採用光穿透率高的複合高分子的導熱材料之外，也可採用金屬、合金等導熱良好但易遮光的材料。
在本實施例中，散熱結構240A的材料以熱電材料舉例說
明，但本發明不限於此。所述熱電材料即是將電能與熱能相互轉換的材料，如碲化鉍(Bismuth telluride)及其合金、碲化鉛(Lead telluride)及其合金、矽鍺合金(silicon germanium)等。如此一來，本實施例可透過對散熱結構240A施以電壓，來導出光感測元件陣列224的背面S2的熱量，此即所謂的熱電致冷卻(thermoelectric cooling)。
此外，本實施例的散熱結構240A例如包括多個彼此分離的導電柱242，其中各導電柱242連接線路子基座210與內連線層222，且不與導電端子230連接。亦即是，本實施例的導電柱242並不是作為訊號傳遞之用，而是作為散熱用。
在本實施例中，相鄰的導電柱242之間，以及導電柱242與導電端子230之間可以不填充有其他介質。如此，本實施例除了可藉由散熱結構240A以熱傳導的方式來導出光感測元件陣列224的背面S2的熱量外，還可透過熱對流的方式來導出光感測元件陣列224的背面S2的熱量。然而，為了增加背照式光感測元件封裝體200整體的結構強度，使用者亦可選擇性地於相鄰的導電柱242之間，及/或導電柱242與導電端子230之間填充其他介質。
另一方面，為了進一步提高散熱效率，本實施例可透過設置多個N型導電柱242A以及多個P型導電柱242B，並使N型導電柱242A與P型導電柱242B透過內連線層222中的銲墊222B以及線路子基座210中對應銲墊222B的銲墊214B彼此交替串接，以將光感測元件陣列224的背面S2的熱量導出。
詳言之，本實施例的各導電柱242的兩端例如分別與內連線層222中的銲墊222B以及線路子基座210(線路層214)中對應銲墊222B的銲墊214B連接，且相鄰的導電柱242透過對應的銲墊214B、222B而彼此串接，並形成一往返於內連線層222與線路層214之間的電流流通路徑。在此架構下，透過設置多個N型導電柱242A以及多個P型導電柱242B並使N型導電柱242A與P型導電柱242B透過內連線層222中的銲墊222B以及線路子基座210中對應銲墊222B的銲墊214B彼此交替串接即形成等效於多個彼此串聯的PN二極體。如此一來，透過施予電壓，而導通等效於彼此串聯之PN二極體的導電柱242，則可將光感測元件陣列224的背面S2的熱量導出，進而可降低因熱而產生的漏電流所造成的訊號干擾，藉此使背照式光感測元件封裝體200具有良好的成像品質以及靈敏度。
需說明的是，上述的N型導電柱242A指的是摻雜有施體(Donor)摻質(dopant)的導電柱(亦即是N型導電柱242A的多數載子為電子，少數載子為電洞)，而上述的P型導電柱242B指的是摻雜有受體(Acceptor)摻質的導電柱(亦即是P型導電柱242B的多數載子為電洞，少數載子為電子)。此處，施體摻質以及受體摻質的材料選擇端視導電柱242的材料而定。舉例來說，當導電柱242的材料為三碲化二鉍(Bi2Te3)時，可透過將六A族元素摻雜於三碲化二鉍中，例如是將硒(Se)摻雜於三碲化二鉍中，來形成N型導電柱242B，並可選用五A族元素，例如是銻
(Sb)，來形成P型導電柱242B，藉此提高散熱效率。
在本實施例中，N型導電柱242A與P型導電柱242B的排列方式雖是以交替地排列作為說明，但本發明不限於此。在其他實施例中，使用者可透過其需求去設計內連線層222中的線路佈局以及N型導電柱242A與P型導電柱242B的排列方式，而達到與上述相同或相似的散熱效果。
需說明的是，本實施例雖以多個導電柱242舉例說明散熱結構的實施型態，但本發明的散熱結構並不限於此。舉例而言，如圖3所示，散熱結構240B也可以是連接於線路子基座210與內連線層222之間的塊狀散熱柱244A，其中散熱柱244A的材料可以是複合高分子的導熱材料或是金屬、合金等材料。又或者，如圖4所示，散熱結構240C還可以是從內連線層222的表面延伸至線路子基座210的底面的散熱柱244B。詳言之，線路子基座210可進一步包括散熱貫孔V1，且散熱柱244B從內連線層222的表面延伸至散熱貫孔V1中。此外，在圖4的實施例中，可進一步於線路子基座210與散熱柱244B之間形成封膠(例如是散熱膠或絕緣膠)以提升背照式光感測元件封裝體400的信賴性。
在圖3及圖4的實施例中，透過增加散熱柱244A、244B與內連線層222之間的接觸面積，可提升散熱效率，進而可降低因熱而產生的漏電流所造成的訊號干擾，藉此提升背照式光感測元件封裝體300、400的成像品質以及靈敏度。
另外，請參照圖2至圖4，背照式光感測元件封裝體200、
300、400可進一步包括彩色濾光層250以及微光學結構層260，其中彩色濾光層250與內連線層222分別位於光感測元件陣列224的兩對側，而微光學結構層260與光感測元件陣列224分別位於彩色濾光層250的兩對側。
彩色濾光層250例如包括多個彩色濾光圖案252、多個彩色濾光圖案254以及多個彩色濾光圖案256，其中彩色濾光圖案252、254、256可以分別是習知的紅色、綠色以及藍色濾光圖案，但本發明不限於此。進一步而言，使用者可視其需求去改變彩色濾光層250中濾光圖案的顏色種類或是濾光圖案的排列方式。
微光學結構層260例如包括多個陣列排列的微透鏡(micro-lens)262，且本實施例的各個微透鏡262對應其中一個彩色濾光圖案252、彩色濾光圖案254或彩色濾光圖案256設置，但本發明不限於此。
以下將以圖5A至圖5G說明圖2的背照式光感測元件封裝體200的製作方法。請參照圖5A，提供光感測元件基板510，所述光感測元件基板510包括形成有光感測元件陣列的基板512以及內連線層222，其中基板512例如是晶圓。
請參照圖5B，將光感測元件基板510與暫時性基板520接合，其中內連線層222位於形成有光感測元件陣列的基板512與暫時性基板520之間。在本實施例中，光感測元件基板510與暫時性基板520例如是透過黏著層530接合。
此外，本實施例可選擇進一步地薄化形成有光感測元件
陣列的基板512而形成圖2及圖5C所示的光感測元件陣列224。
請參照圖5C，於光感測元件陣列224上依序形成彩色濾光層250以及微光學結構層260，並透過黏著層540將蓋板550與微光學結構層260接合。蓋板550例如是透光的塑膠基板或透光的強化玻璃基板。詳言之，蓋板550的材料可以是聚甲基丙烯酸酯(polymethyl methacrylate，PMMA)、丙烯酸樹酯(acrylic resin)或是其他合適的透光材料。
請參照圖5D，移除暫時性基板520以及黏著層530，並於內連線層222下形成散熱結構240A，其中本實施例的散熱結構240A例如是多個導電柱242，且各導電柱242設置在內連線層222中對應的銲墊222B下。在本實施例中，移除暫時性基板520以及黏著層530之後，例如是先將整個結構倒置，以將製程面(即內連線層222欲形成散熱結構240A的表面)朝向上，再接續散熱結構240A的製作。因此，在散熱結構240A的製作過程中，蓋板550除了可作為承載整體結構的基板之外，還可保護微光學結構層260。
請參照圖5E，於內連線層222下形成多個導電端子230，且導電端子230分別設置在內連線層222中對應的銲墊222B(指配置有導電柱242以外的銲墊222B)下。
在本實施例中，若前述的導電柱242的材料與導電端子230的材料相同(例如是銅)，則導電柱242與導電端子230可以是同時形成，然而，若導電柱242的材料與導電端子的材料不同
(導電柱242的材料採用複合高分子的導熱材料或是前述的熱電材料)，導電柱242與導電端子230則於不同步驟中形成。
此外，若導電柱242的材料採用的是前述的熱電材料，則在形成導電端子230之前，可先形成前述的N型導電柱與P型導電柱(透過掺雜不同的摻質)。另外，在形成導電端子230的步驟中，可進一步地於導電端子230與導電柱242上藉由電鍍或印刷的方式形成一層錫(Sn)，以利後續導電端子230以及導電柱242與線路子基座210(繪示於圖5F)的接合。
請參照圖5F，將導電端子230以及導電柱242與線路子基座210接合，其中所述接合的方法可以是使前述形成的錫呈熔融態，而使導電端子230以及導電柱242與線路子基座210接合。
線路子基座210包括子基座212以及配置於子基座212上的線路層214，且線路層214包括介電層214A以及分布於介電層214A中的多個橫向的銲墊214B。導電端子230以及導電柱242例如是與介電層214A中對應的銲墊214B連接，亦即是，導電端子230以及導電柱242分別連接對應的銲墊214B(位於線路子基座210的線路層214中)與銲墊222B(位於內連線層222中)。如此，則初步完成圖2所示的背照式光感測元件封裝體200。需說明的是，圖5F相較於圖2更多了黏著層540以及蓋板550等構件，然而，這兩個構件並非背照式光感測元件封裝體200的必要構件，使用者可視其所需而選擇保留或移除黏著層540以及蓋板550，本發明並不限於此。
請參照圖5G，在本實施例中，可進一步於圖2所示的背照式光感測元件封裝體200下配置電路板560。在配置電路板560之前，更包括於線路子基座210對應導電端子230處形成多個導電貫孔V2以及位於導電貫孔V2中的多個導電結構580。接著，可透過凸塊570將線路子基座210的導電結構580與電路板560電性連接。如此一來，內連線層222可透過導電端子230、導電結構580以及凸塊570而與電路板560電性連接。因此，光感測元件陣列224所接收到的光訊號在轉為電訊號之後，即可經由內連線層222中的金屬層及銲墊222B以及導電端子230、導電結構580與凸塊570，而輸出至電路板560。
需說明的是，前述圖5A至圖5G的製作方法除了適用於背照式光感測元件封裝體200之外，也適用於背照式光感測元件封裝體300、400。以背照式光感測元件封裝體300為例，其亦可藉由相似於圖5A至圖5G的製作方法而形成如圖6所示的結構，差異在於在圖5D的步驟中，散熱結構240B形成的是塊狀的散熱柱244A，且與散熱柱244A連接的銲墊214B、222B可以分別是單個橫向的銲墊214B、222B。至於背照式光感測元件封裝體400，其亦可藉由相似於圖5A至圖5G的製作方法而形成如圖7所示的結構，差異在於在圖5D的步驟中，散熱結構240C形成的是塊狀的散熱柱244B，其中塊狀的散熱柱244B的厚度會大於散熱柱244A的厚度。此外，在圖5F的步驟中，在與線路子基座210接合之前，更包括於線路子基座210中形成散熱貫孔V1，而於接合
後，散熱柱244B會配置於散熱貫孔V1中。另外，使用者可視其需求讓散熱柱244B與電路板560直接連接(例如透過調變散熱柱244B的厚度)。如此，可進一步提升散熱效率，並降低因熱而產生的漏電流。
綜上所述，本發明的背照式光感測元件封裝體將內連線層配置在光感測元件陣列的背面，來解決習知內連線層配置於光感測元件陣列的受光面上所造成的金屬層反射以及光感測元件陣列收光效果不佳等問題，藉以具有良好的光填充率以及對比。此外，本發明的背照式光感測元件封裝體藉由將散熱結構配置於內連線層下，以將光感測元件陣列的熱量導出，藉此改善散熱效率不佳所造成的漏電流的問題，進而使背照式光感測元件封裝體具有良好的成像品質以及靈敏度。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
200‧‧‧背照式光感測元件封裝體
210‧‧‧線路子基座
212‧‧‧子基座
214‧‧‧線路層
220‧‧‧背照式光感測元件
222‧‧‧內連線層
214A、222A‧‧‧介電層
214B、222B‧‧‧銲墊
222C‧‧‧介層窗插塞
224‧‧‧光感測元件陣列
230‧‧‧導電端子
240A‧‧‧散熱結構
242‧‧‧導電柱
242A‧‧‧N型導電柱
242B‧‧‧P型導電柱
250‧‧‧彩色濾光層
252、254、256‧‧‧彩色濾光圖案
260‧‧‧微光學結構層
262‧‧‧微透鏡
S1‧‧‧受光面
S2‧‧‧背面
Claims (7)
- 一種背照式光感測元件封裝體，包括：一線路子基座；一背照式光感測元件，包括：一內連線層，位於該線路子基座上，該內連線層包括一介電層、多層金屬層以及多個介層窗插塞，其中該些金屬層以及該些介層窗插塞為遮光的導電材料；一光感測元件陣列，其中該內連線層位於該光感測元件陣列與該線路子基座之間；多個導電端子，位於該內連線層與該線路子基座之間，以電性連接該內連線層與該線路子基座；一散熱結構，位於該內連線層下，且該散熱結構與該光感測元件陣列分別位於該內連線層的兩對側；以及一電路板，其中該線路子基座配置於該電路板上，且該線路子基座更包括對應該些導電端子設置的多個導電貫孔以及位於該些導電貫孔中的多個導電結構，各該導電端子分別與其中一該導電結構電性連接，以使該內連線層透過該些導電端子以及該些導電結構而與該電路板電性連接。
- 如申請專利範圍第1項所述的背照式光感測元件封裝體，其中該背照式光感測元件包括一互補金氧半導體光感測元件或一電荷耦合元件。
- 如申請專利範圍第1項所述的背照式光感測元件封裝體， 其中該散熱結構包括多個導電柱，各該導電柱連接該線路子基座與該內連線層。
- 如申請專利範圍第3項所述的背照式光感測元件封裝體，其中該些導電柱包括多個N型導電柱以及多個P型導電柱，且該些N型導電柱與該些P型導電柱透過該內連線層以及該線路子基座彼此交替串接。
- 如申請專利範圍第1項所述的背照式光感測元件封裝體，其中該散熱結構包括一散熱柱，連接該線路子基座與該內連線層。
- 如申請專利範圍第5項所述的背照式光感測元件封裝體，其中該線路子基座包括一散熱貫孔，且該散熱柱從該內連線層的表面延伸至該散熱貫孔中。
- 如申請專利範圍第1項所述的背照式光感測元件封裝體，更包括：一彩色濾光層，其中該彩色濾光層與該內連線層分別位於該光感測元件陣列的兩對側；以及一微光學結構層，其中該微光學結構層與該光感測元件陣列分別位於該彩色濾光層的兩對側。
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