CN101197384A - 影像感测器的封装与其形成方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示一种影像感测器的封装与其形成方法，该一种影像感测器封装包含一衬底、一芯片黏在该衬底上。一封胶材料(molding material)形成在芯片四周以露出其微透镜区域，该封胶层内含有通孔结构穿过其中。一保护层形成在该微透镜区域上以避免微透镜受到损伤。一重布层形成在封胶材料上方以连接芯片上的焊垫(pad)。金属接垫形成在该通孔结构上作为与印刷电路板连接的接点。一覆盖层在衬底上方形成以隔绝该金属接垫。

Description

影像感测器的封装与其形成方法

技术领域

本发明是关于一种影像感测器封装结构，特别是关于一种能避免微透镜受到杂质粒子污染的影像感测器封装结构与其制作方法。

背景技术

现今半导体科技的发展非常快速，特别是在对于半导体芯片微型化的趋势方面有显着的进步。然而，吾人对于现今半导体芯片功能上的需求却日趋于多样化。此即代表现今的半导体芯片必须在更小的区域内设置更多的输出入接垫。如此，引脚(pin)的密度才能大幅提升。这使得半导体芯片封装日益困难，良率也下降。封装结构主要的功能是保护芯片不受到外界损害。而且，芯片所产生的热必须能通过封装结构有效地发散以确保芯片能够正常的运作。大部分的封装技术都会先将晶片上的芯片(chip)分成个别的小芯片(dies)再分别进行芯片的封装与测试。而另一种名为“晶片级封装”(wafer levelpackage，WLP)的封装技术可在芯片被分成个别的小芯片之前就先进行封装。晶片级封装技术有一些优点，如制作时间较短、成本低、以及不需要进行底部填胶(underfill)或是模封(molding)等步骤。

数字影像技术现今已经被广泛运用在数字相机、扫描仪等摄影器材上。一般的CMOS传感器会被配置在电路板上。CMOS传感器具有一芯片固定其中。透镜座上具有一聚焦透镜用来将影像聚焦在CMOS感测器的芯片上。通过此透镜，影像信号会被芯片传送至一数字处理器以将此模拟信号转换成数字信号。CMOS传感器的芯片对于红外线和灰尘相当敏感，传感器上杂质粒子的存在会导致整个装置的质量下降。为了避免这类情形，以传统人工的方式来移除杂质粒子又有可能会损害到敏感的芯片。一般而言，影像感测器模块是使用COB(Chip on Board，芯片直焊)或LCC(Leaded Chip Carrier，芯片承载)的方法形成。COB工艺因为在封装过程中其感测区域容易受到杂质粒子的污染，故其良率较低。此外，LCC封装也因感测区域易受到杂质粒子污染的原因而产生良率较低、成本高等的缺点。

微透镜是一种光学组件，在半导体领域中被用来作为固态(solid state)影像装置。在微透镜的设计与制作当中，其最重要的考虑就是感亮度(photosensitivity)。微透镜感亮度下降的因素之一就是微透镜区域低于其设定的理想值。SHELL CASE公司曾开发一种晶片级封装技术。由于需要两片玻璃板以及工艺复杂，以此技术来封装影像感测器芯片所费成本较高，再加上其透光度会因为环氧树脂(epoxy)的磨耗而变差，使得可靠度下降。美国专利5,514888号“ON-CHIP SCREEN TYPE SOLID STATE IMAGE SENSOR ANDMANUFACTURING METHOD THEREOF”揭示了一种在硅衬底上形成电荷耦合组件(CCDs)的方法，其使用传统的光刻技术与回焊技术在CCD数组上方形成一微透镜数组。

打线接合(wire bonding)是一种用来在封装内形成电路连接的传统技术。打线接合会采用金、铝或铜线等材料。焊接线的一端会接在芯片上，而另一端则接在次一层级的基材上，如导线架(lead frame)、印刷电路板、陶瓷基板、或是软性电路板。

一般的打线接合技术会在芯片上形成球焊接点(ball bond)，在衬底上则形成缝焊接点(stitch bond)。在打线接合的过程中，焊针末端的焊线会受热烧成球状，从打线机(wire bonder)的焊针(capillary)末端延伸而出。当施以热压或/与超声波震荡时，焊针会压下而将焊线焊在芯片的焊垫上。在焊垫上的球焊形成后，焊针的下个动作是移动到欲焊接的基材上(引线)，以形成一循环。焊针会在基材的焊接位置上将焊线压下焊接，产生一楔型的缝焊接点。

于此，本发明提出一种创新的影像感测器封装结构，可使感测区域免于杂质粒子的污染并改善传统的焊接线连结。

发明内容

本发明为因应上述先前技术中所产生的问题而生，其目的在于提出一种微透镜区域不会受到杂质粒子污染的影像感测器封装结构及其制造方法。根据本发明，其影像感测器封装结构可采用连接通孔(via through hole)作为其连接点，而不需使用传统的打线接合。

本发明提出一种影像感测器封装，其包含一衬底、一芯片黏在(mounted)衬底上方。一封胶材料(核胶，core paste)在芯片的四周形成以露出其微透镜区域。其中该封胶材料含有通孔结构穿透其中。一重布层形成在该封胶材料上方以连接芯片上的接垫。金属接垫则形成在该通孔结构上。一覆盖层在衬底的上方形成以隔绝该金属接垫。

在本发明中，衬底的材质包含金属、合金42(42％镍-58％铁)、Kovar合金(29％镍-17％钴-54％铁)、玻璃、陶瓷、硅或是印刷电路板(以具有高玻璃转换温度的环氧树脂类材料为佳，如FR5或是BT)。其芯片包含CCD和CMOS的影像感测器芯片。该封胶材料的材质包含硅胶、树脂、环氧树脂。其第一介电层与第二介电层的材质包含SINR(Siloxane polymer，硅氧烷聚合物)、BCB(Benzo-cyclobutene，苯并环丁烯)、PI(polyimides)或是以硅酮为主的材料。微透镜上保护层的材质包含SiO₂，Al₂O₃。其重布层的材质包含铜/金、铜/镍/金合金。其通孔层(via)的材质包含钛/铜或是钛/钨/铜合金。其覆盖层的材质包含环氧树脂、树脂、以硅胶为主(silicone base)的材料。

本发明还提出了一个制作影像感测器封装的方法，其包含：提供一芯片，其含有一保护层形成在其微透镜区域上；在该芯片四周填入封胶材料(核心胶体)；接着，提供一衬底黏在该芯片上；在封胶材料与芯片上方形成一第一介电层。该第一介电层含有一第一开口(铝垫)以及一第二开口裸露出形成在其内部的微透镜区域；接下来，移除部分的第一介电层与封胶材料以形成一第三开口；之后，在该第一介电层上方形成一晶种层(seed metal layer)以及一重布层填入该第一开口中以连接芯片上的接垫；形成一通孔层填入该第三开口；再来，在该第一介电层以及重布层上方形成一第二介电层，该第二介电层含有一第四开口以露出其微透镜区域；在通孔层上形成金属接垫；接着，在衬底上方形成一覆盖层。

在本发明中，其第一开口与第二开口是使用光刻工艺以及刻蚀工艺形成。其第三开口是使用激光钻孔(laser drilling)工艺形成。其重布层是使用电镀工艺形成。通孔层的金属也是使用电镀工艺形成。而第四开口则是使用光刻工艺以及刻蚀工艺形成。

附图说明

本发明在某些部份与配置会以物理的方式呈现，其较佳实施例在说明书中会有详细的描述与图示，其中：

图1为根据本发明一影像感测器封装结构的顶视图与截面图；

图2为根据本发明一影像感测器BGA式封装结构的底视图：

图3为根据本发明一影像感测器LGA式封装结构的底视图；

图4为根据本发明一影像感测器封装结构的截面图；

附图标号：

100  影像感测器封装      101  芯片接垫

102  重布层              103  通孔层

104  保护层              105  衬底

200  球型栅格数组封装    201  锡球

202  通孔层              203  重布层

300  基板栅格数组封装    301  金属接垫

400  芯片                401  芯片接垫

402  封胶                403  第一介电层

404  第二介电层   405  通孔层

406  金属薄膜     407  金属接垫

408  衬底         409  重布层

410  覆盖层       411  金属薄膜

具体实施方式

现在此处将详细描述本发明的实施例。然而，不仅限于此处所详述者，需了解本发明也可在其它广泛的实施例当中施行，且本发明的范畴未受权利要求以外的叙述或说明所限制。然，此处并未明定其各组件的尺度与组成。而为了让本发明能被更清楚的描述与理解，图中一些相关组件的尺度被放大，而不重要的部位则被省略。

图1是根据本发明一影像感测器封装100基本结构的顶视图与截面图，此结构包含：一由金属材料制成的方形衬底105、一用来撷取影像的半导体装置芯片106(CMOS影像感测器芯片)，其含有一平面CMOS影像感测器可通过一由硅胶、树脂或环氧树脂等材质构成的封胶材料(核心胶体胶)107黏在衬底105上；一通孔层结构103形成并穿过封胶层并以电镀工艺在其中填入铜。该结构被设定成圆柱型之类的形状并连接到衬底105作为其与印刷电路母板连接的信道；一晶种层(图中未表示)与一重布层102被连接到半导体组件芯片106上的芯片焊垫101以及通孔层结构103上；而一保护层104在影像感测器芯片106上形成以覆盖影像感测器芯片的感测区域。

根据本发明，图2与图3分别表示出一BGA封装(Ball Grid Array，球型栅格数组)200与LGA(Land Grid Array，基板栅格数组)封装300的影像感测器封装结构的底视图。BGA式封装的特征是使用一封装衬底，其正面与半导体芯片相接，而背面则使用自动对准技术注入锡球(solder ball)数组来与PCB母板焊接。此作法使得单位面积下的芯片载体(即封装结构)可设置更多的输出入接点(I/O)，以达到高整合性半导体芯片的封装需求。锡球或锡块(bump)的焊接方式可让封装结构整体与一外部装置或组件电性连接。

在BGA封装中，金属材质的锡球201通过重布层203与通孔层202电耦合。在LGA式封装中，金属接垫301则可让信号直接与PCB母板电耦合。该金属接垫被用来作为终端引脚(terminal pin)，其间距(pitch)约为400μm，引脚区域约为400μm×200μm，每一边的接脚数目为13，而其每一边长尺寸为0.4mm+(13×0.4mm)+0.4mm。终端引脚表面金属的厚度约为2000以上，可达到更好的焊接效果。

影像感测器100详细的周边结构如图4所示，其为本发明较佳实施例中的影像传感器封装结构。在图4中，影像感测器封装100是由一用来撷取影像的半导体组件芯片400所构成，其含有一平面CMOS影像感测器之类的组件通过一封胶材料(核心胶体)或黏晶材料黏在衬底408上。一晶种层与一重布层409被连接到半导体组件芯片400上的芯片接垫401；一第一介电层403覆盖在芯片接垫401与微透镜区域以外的封胶402区域与芯片400上方。一第二介电层404则覆盖在微透镜区域以外的重布层409与该第一介电层403上方以保护芯片400；通孔层405穿过该第一介电层403与封胶402区域以连接金属接垫407与该重布化传导层409；一保护层104(如图1所示)覆盖在影像传感器400的微透镜上，而一覆盖层410在金属接垫407形成后被镀在衬底408以及核胶402区域下方。

举例而言，衬底408是一硬块材式的金属、合金42(42％镍-58％铁)、Kovar合金(29％镍-17％钴-54％铁)、玻璃、陶瓷、硅或是PCB有机衬底(具有高玻璃转换温度的环氧树脂类材料，如FR5或是BT)等材质。上述的半导体芯片400被黏附在衬底的正表面上。合金42的组成包含42％的镍与的58％铁，而Kovar合金的组成包含29％的镍、17％的钴以及54％的铁。在本例中，衬底408是一个圆形或方形的板状结构。其金属接垫407的原料包含铜、合金42。金属接垫407可被用来作为与PCB母板连接的通道。一由金元素组成的金属薄膜406可作为通孔层405与该金属接垫407之间的接口，其作用如同黏结层或晶种层，可加强通孔层405与金属接垫407之间的连结。另一由金元素组成的金属薄膜411形成在该金属接垫407的焊接面上以改善整体封装的电性。

根据本发明，此实施例的优点在于其封装结构采用通孔层405以及金属接垫407两构造，不需像传统的封装使用打线接合(wire bonding)的方式来与PCB板或外部装置连接。

合金42的物理性质如下：其热膨胀系数(CTE)约为4.0～4.7(ppm/℃)、热传导率约为12(W/m-℃)、电阻率约为70(μΩ-cm)而应力弯曲疲劳强度(fatiguestrength)约为620 MPa。同样地，Kovar合金的物理性质如下：其热膨胀系数(CTE)约为5.1～8.7(ppm/℃)、热传导率约为40(W/m-℃)、电阻率约为49(μΩ-cm)。换言之，本发明中的金属合金可被用来作为导线架合金。像合金42或Kovar合金之类的金属在此类应用具有不错的接受度，因为其热膨胀系数与硅晶片以及陶瓷非常吻合，且可成形性高(high formability)。故合金42与Kovar合金为本发明的要件之一。如以上所述，此两合金材料的热膨胀系数与硅的热膨胀系数(2.3ppm/℃)以及陶瓷的热膨胀系数(3.4 to 7.4 ppm/℃)相吻合。Kovar合金与合金42也具有高疲劳强度。合金42的疲劳强度为620MPa，相较之下大部分的铜合金疲劳强度仅有380～550的谱。故这类材料适合用来作为电子信号的传导路径。此外，此类材料必须能耐腐蚀，因为腐蚀会增加铝的电阻率而造成电性错误，最终导致机械性的断裂。本发明中的传导材料可包含铁-镍合金、铁-镍-钴合金、铜-铁合金、铜-铬合金、铜-镍-硅合金或是铜-锡合金等。

本发明结构中配置有一用于撷取影像的半导体组件芯片400，例如一半导体电路区之类的区域，其中有一光电转换区(感测区域)由一群光电转换组件所组成，形成了平面CMOS影像感测器及其数组；一驱动电路区连续驱动该光电转换组件群并获取电荷信号；一模拟数字转换区将该电荷信号转换成一数字信号；一信号处理区将该数字信号转换为一影像信号输出；其中，一曝光控制装置形成在该半导体芯片上，可根据该数字信号的输出等级来控制其曝光时间。

根据本发明，影像传感器封装的详细制作方式如下：在影像传感器晶片中，首要步骤就是清洗该具有复数个芯片400的半导体晶片。下一步，将保护层104(如图1所示)镀在该影像感测芯片400的微透镜区域上。该保护层104的原料包含SiO₂、Al₂O₃或是含氟聚合物(Fluoropolymer)。之后，保护层会被热固(cure)。接着，一顶覆盖层在工艺期间会暂时覆盖在该保护层上。之后半导体晶片会进行晶背研磨(back lapping)的步骤。芯片40的厚度约为175mm或127mm(5mils)，视整体封装的厚度而定。接下来，处理后的半导体晶片会被切割(singulate)成单一的芯片400。

就衬底408而言，一光阻层会被镀在该衬底408的第一表面上(正面)，其后衬底会进行光刻工艺显开未刻蚀的区域。之后，以电镀工艺在该区域上形成一金元素层。接下来，将光阻层拔除并进行半湿刻蚀工艺以形成接垫(pad)，如同图3所示的LGA接垫301。衬底的原料可选择以下材料：合金42、Kovar合金、玻璃、陶瓷、硅以及PCB。另外，也可选择进行清洗衬底408表面的步骤。

再来，使用一精密对准捡放***(pick and place)将芯片上含有接垫的那一面(即动态面)以弹性材料暂时黏附在一底座上(该底座为含有芯片重布对准图形的工具)。该捡放***可视为一定制的可移动式覆晶焊接器(flip chip bonder)。在本例中，复数个芯片400会在一特定或预定的条件下从该弹性材料上被剥除。换言之，在一般状态下，该弹性材料的表面具有黏滞性(黏性)，而当弹性材料置于某一特定环境或条件下它会失去黏滞性。所谓特定或预定的环境可为去离子水溶液、特定的溶剂、预定的温度(约为20～40℃，视使用的溶剂而定)、或是特定的光照(如紫外光)等环境。上述的底座(工具)在清洗后可重复使用。

填胶步骤为将一封胶材料(核心胶体)402填入邻近芯片400间的空隙中并覆盖在芯片400上方。核胶402是以封胶材料或是弹性材料制成。封胶的原料可在硅胶、树脂以及环氧树脂之间作选择。封胶402的宽度每边约为500μm～1mm之间，而切割道(scribe line)宽约为100～150mm。衬底408是通过封胶402黏在芯片400上。衬底408黏上之后会进行一紫外线固化或热固化步骤来加强封胶(molding)的效果(黏附效果)。封胶402固化之后，封装结构会在上述特定的环境下从弹性材料上剥离。

接下来，在清洗芯片表面后，一第一介电层403会被镀在封胶402以及芯片400的上方。该第一介电层403会以光刻工艺与刻蚀工艺在其表面上形成第一开口与第二开口以露出铝垫401以及其微透镜区域。再来会进行另一道光刻及刻蚀工艺来形成穿过该第一介电层403与核胶区405的通孔。另外，也可以采用激光钻孔工艺来形成通孔。通孔层的直径约为100μm，而其高度约为200μm(或150μm)，其深宽比为2(或1.5)。在激光钻孔之后会进行RIE(Reactive Ion Etch，反应式离子刻蚀法)步骤清洗铝垫401以避免受到杂质粒子的污染。一晶种层406会以溅镀方式填入通孔与铝垫中并覆盖在第一介电层403上方。再来，一光阻层会被镀在晶种层及第一介电层403上。接着，实行光刻工艺形成光阻图形以露出芯片接垫401、通孔以及重布层图形。再来实行电镀工艺将材料填入通孔并覆盖在芯片接垫401上方，以形成通孔层405以及重布层409。举例而言，晶种层406的材质包含铜、钛-铜合金、钛-钨-铜合金，而重布层409的材质包含铜-金合金、铜镍金合金。重布化传导层409的厚度约为6.0μm。在光阻拔除后，接下来晶种层进行湿刻蚀步骤来移除第一介电层403上方的晶种层以形成重布层409。

接下来，一第二介电层404被镀在第一介电层403与重布层409上方以保护芯片400。第二介电层404会进行光刻工艺和刻蚀工艺以形成开口露出其微透镜区域。之后该第二介电层会被热固。

第一介电层403与第二介电层404的材质可选择SINR、BCB、PI及以硅酮为主的材料。

接着，衬底408的第二表面(背面)会被清洗。一光阻层会被镀在衬底408的第二表面上，然后在接垫以外的衬底部分进行光刻工艺以及半刻蚀工艺让金属接垫407彼此隔绝。换言之，衬底408会进行两次半刻蚀工艺以隔绝金属接垫(LGA式)，其一次在衬底的第一表面上，一次在衬底的第二表面上。残存的光阻之后会被拔除。此外，在非金属衬底部分408会进行另一次的金属电镀工艺来形成金属接垫407以连接通孔层405。金属接垫407可作为与PCB板的接点。另一由金元素构成的金属薄膜411形成在金属接垫407上以改善封装结构的电性。

再来，清洗衬底408的第二表面(背面)。最后，一覆盖层410会被印在金属接垫407以外衬底的第二表面408与核胶402区域(在靠近金属接垫407的区域)上。该覆盖层410包含环氧树脂、树脂、硅胶。覆盖层410印上后，可进行一些工艺让金属接垫407裸露出来，例如湿刻蚀或晶背研磨工艺等。覆盖层也可将金属接垫407彼此隔绝。然后，移除微透镜区域上暂时覆盖的保护层。接着，封装会被切割从面板上移除。

再者，根据本发明，吾人可以在影像撷取的半导体组件芯片的光接收部位上配置一微透镜以加大孔径并增加光入射的效率。

本发明的优点包含如下：PCB模块的布局(layout)简单；具有保护层而不受杂质粒子影响；简易的SMT工艺(表面黏着工艺)可用于LGA式的终端引脚；超薄式封装结构(厚度小于400μm)；小面积架构(foot print&form factor)；  晶片级封装的成本较低；可进行大面板尺寸的封装工艺；能达到最高的封装及模块化良率；完全自动化的模块构装；以及可进行晶片级的最终测试(finaltesting)。

尽管本发明的具体实施例业已于上面的描述中说明，本领域的熟习技艺者仍需清楚认知，在不违悖本发明的权利要求的精神下，本发明可以各种不同的修改形式呈现。

Claims (10)

1.一种影像感测器封装结构，其特征在于，该影像感测器封装结构包含：

一衬底；

一芯片黏附在所述的衬底上方；

一封胶材料形成在所述的芯片的四周以露出其微透镜区域，其中该封胶材料包含通孔结构穿过其中；

一保护层形成在所述的微透镜区域上方以保护该微透镜区域；

一重布层形成在所述的封胶材料上方以连接所述的芯片的接垫；

复数个金属接垫形成在所述的通孔结构上方；以及

一覆盖层形成在所述的衬底上方以隔绝所述的复数个金属接垫。

2.如权利要求1所述的影像感测器封装结构，其特征在于，所述的衬底的材质包含金属、合金42(42％镍-58％铁)、Kovar合金(29％镍-17％钴-54％铁)、玻璃、陶瓷、硅或是PCB；所述的封胶材料与所述的覆盖层的材质包含硅酮橡胶、树脂以及环氧树脂等材料；所述的保护层的材质包含SiO₂、Al₂O₃、含氟聚合物；所述的重布层的材质包含铜-金合金、铜-镍-金合金；所述的通孔结构的材质包含钛-铜合金或钛-钨-铜合金。

3.如权利要求1所述的影像感测器封装结构，其特征在于，所述的芯片包含CMOS或CCD影像传感器芯片。

4.如权利要求1所述的影像感测器封装结构，其特征在于，所述的影像感测器封装结构还包含BGA封装结构的锡球形成在所述的衬底的下表面。

5.如权利要求1所述的影像感测器封装结构，其特征在于，所述的复数个金属接垫作为LGA封装结构的接垫形成在所述的衬底的下表面及所述的LGA封装结构的周边上。

6.一种制作影像感测器封装的方法，其特征在于，该方法包含：

提供一芯片，其微透镜上有形成一层保护层；

将封胶材料填入所述的芯片四周；

提供一衬底黏着在所述的芯片上；

在所述的封胶材料与所述的芯片上方形成一层第一介电层，该第一介电层含有一第一开口及一第二开口将其内部形成的微透镜区域露出；

移除部份的第一介电层及封胶材料以形成一第三开口；

在所述的第一介电层上方形成一重布层填入所述的第一开口中以连接所述的芯片上的接垫；

形成一通孔结构以填入所述的第三开口；

在所述的第一介电层与所述的重布层上方形成一第二介电层，该第二介电层具有一第四开口以露出其微透镜区域；

在所述的通孔结构上形成复数个金属接垫；

在所述的衬底上方形成一覆盖层。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述的第一开口、第二开口、第三开口及第四开口为使用光刻工艺以及刻蚀工艺形成。

8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述的第三开口为使用激光钻孔工艺形成。

9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述的重布层与通孔结构为使用电镀工艺形成。

10.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述的方法还包含在所述的衬底上进行一半刻蚀工艺的步骤。

Images