KR101817412B1 - 노출된 센서 어레이를 가지는 센서 패키지 및 이를 제조하는 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 대향하는 제 1 표면 및 제 2 표면, 및 제 1 표면과 제 2 표면 사이에서 각각 연장하는 복수의 전도성 엘리먼트를 가진 제 1 기판을 포함하는 패키징된 센서 어셈블리 및 이를 제조하는 방법에 관한 것이다. 제 2 기판은 대향하는 정면 표면 및 후면 표면, 정면 표면상에 형성되거나 정면 표면내에 형성된 하나 이상의 검출기, 및 정면 표면에 형성되고 하나 이상의 검출기에 전기적으로 커플링되는 복수의 접촉 패드를 포함한다. 제 3 기판은 제 3 기판과 정면 표면사이의 캐비티(cavity)를 정의하기 위하여 정면 표면에 장착되며, 제 3 기판은 캐비티로부터 제 3 기판을 통해 연장하는 제 1 개구부를 포함한다. 후면 표면은 제 1 표면에 장착된다. 복수의 와이어는 접촉 패드 중 하나 및 전도성 엘리먼트 중 하나 사이에서 각각 연장되며 접촉 패드 중 하나 및 전도성 엘리먼트 중 하나를 전기적으로 연결한다.
Description
본 출원은 2013년 6월 3일에 출원된 미국 가출원 번호 제61/830,563호 및 2013년 6월 5일에 출원된 미국 가출원 번호 제61/831,397호의 우선권을 주장하며, 이들은 인용에 의해 본원에 통합된다.
본 발명은 이미지 센서 및 화학적 센서와 같은 마이크로전자 센서 디바이스의 패키징, 특히 센서가 보호되고, 전기적으로 연결되지만 노출된 상태에 있게 한 센서 패키지에 관한 것이다.
반도체 디바이스의 추세는 (오프 칩 시그널링 연결성(off chip signaling connectivity)을 제공하는 동안 칩을 보호하는) 보다 작은 패키지로 패키징된 보다 작은 집적회로(IC) 디바이스(또한, 칩으로 지칭됨)이다. 일례는 입사광을 전기 신호로 변환하는 광-검출기를 포함하는 IC 디바이스인 이미지 센서이다.
이미지 센서는 통상적으로 오염으로부터 센서를 보호하고 오프 칩 시그널링 연결성을 제공하는 패키지로 캡슐화된다. 그러나, 하나의 문제는 광 센서를 캡슐화하기 위하여 사용되는 투명 기판이 그 기판을 통과하여 센서상에 전달되는 광에 악영향을 미친다는 점이다(예컨대, 왜곡 및 광자 손실). 다른 타입의 센서는 물리 물질, 예컨대 가스 및 화학 물질을 검출하는 화학적 센서이다. 그러나, 화학적 센서가 동작하는데 있어서 환경으로부터 밀봉될 수 없을지라도, 보호 및 오프 칩 시그널링 연결성 둘다가 만족되도록 이러한 센서를 패키징하는 것이 여전히 바람직하다.
종래의 센서 패키지는 미국특허 공보 제2005/0104186호 및 제2005/0051859호와 미국특허 제6,627,864호에 개시되어 있다. 개시된 센서 패키지 각각은 센서 칩, 호스트 기판(host substrate), 예컨대 실리콘 부재, PCB 또는 연성-PCB, 센서 영역을 위한 윈도우 개방부(window opening), 및 센서 영역을 기밀 밀봉하는(hermetically seal) 투명 유리를 포함한다. 선택적으로 그리고 자주, 밀봉된 영역은 센서 다이와 호스트 기판 사이의 본딩 강도를 개선하기 위하여 투명 에폭시로 충전되는데, 이는 광자 센서의 감도(sensitivity)의 적어도 일부분을 희생시킨다. 투명 유리는 패키지에 추가 기판 강도 및 강성을 또한 제공하면서 센서 영역을 오염 및 습기로부터 보호할 수 있다. 센서 칩은 보통 플립-플롭 또는 와이어 본딩 기술에 의해 호스트 기판에 장착된다. 이는 볼 그리드 어레이(BGA: ball grid array)와 같은 인터커넥트(interconnect)를 통해 호스트 기판의 표면상의 다수의 금속 트레이스(trace)와 센서 본드 패드가 연결되도록 한다. 금속 트레이스는 일반적으로 호스트 기판의 표면상에 증착되는데, 이는 통상적으로 단일 회로 층으로 구성된다. 그러나, 이들 구성으로 축소된 크기를 달성하는 것과 어셈블리 프로세스 동안 센서 영역 오염을 방지하는 것은 곤란하다.
오프 칩 시그널링 연결성과 함께 상당한 보호를 가진 센서를 제공함에도 불구하고 이러한 센서가 노출되어 검출할 수 있는 개선된 패키지 및 패키징 기술에 대한 필요성이 존재한다. 호스트 기판을 지원하여 개선된 어태치먼트(attachment) 및 연결 방식에 대한 필요성이 또한 존재한다.
전술한 문제 및 필요성은 대향하는 제 1 표면 및 제 2 표면, 및 제 1 표면과 제 2 표면 사이에서 각각 연장하는 복수의 전도성 엘리먼트를 가진 제 1 기판을 포함하는 패키징된 센서 어셈블리에 의해 처리된다. 제 2 기판은 대향하는 정면 표면 및 후면 표면, 정면 표면상에 형성되거나 또는 정면 표면내에 형성된 하나 이상의 검출기, 및 정면 표면상에 형성되고 하나 이상의 검출기에 전기적으로 커플링되는 복수의 접촉 패드를 포함한다. 제 3 기판은 제 3 기판과 정면 표면사이의 캐비티(cavity)를 정의하기 위하여 정면 표면에 장착되며, 제 3 기판은 캐비티로부터 제 3 기판을 통해 연장하는 제 1 개구부를 포함한다. 후면 표면은 제 1 표면에 장착된다. 복수의 와이어는 접촉 패드 중 하나 및 전도성 엘리먼트 중 하나 사이에서 각각 연장되며 접촉 패드 중 하나 및 전도성 엘리먼트 중 하나를 전기적으로 연결한다.
패키징된 센서 어셈블리는 대향하는 정면 표면 및 후면 표면을 포함하는 제 1 기판, 정면 표면상에 형성되거나 또는 정면 표면내에 형성된 하나 이상의 검출기, 정면 표면에 형성되고 하나 이상의 검출기에 전기적으로 커플링되는 복수의 접촉 패드, 제 2 기판과 정면 표면 사이의 캐비티를 정의하기 위하여 정면 표면에 장착되며는 제 2 기판, 제 1 기판의 정면 표면내에 형성된 트렌치(trench), 및 접촉 패드 중 하나로부터 트렌치내로 각각 연장하는 복수의 전도성 트레이스를 포함하고, 상기 제 2 기판은 캐비티로부터 제 2 기판을 통해 연장하는 제 1 개구부를 포함한다.
패키징된 센서 어셈블리를 형성하는 방법은 대향하는 제 1 표면 및 제 2 표면을 가진 제 1 기판을 제공하는 단계, 제 1 표면과 제 2 표면 사이에서 각각 연장하는 복수의 전도성 엘리먼트를 형성하는 단계, 제 2 기판을 제공하는 단계(제 2 기판은 대향하는 정면 표면 및 후면 표면, 정면 표면상에 형성되거나 또는 정면 표면내에 형성된 하나 이상의 검출기 및 정면 표면상에 형성되고 하나 이상의 검출기에 전기적으로 커플링되는 복수의 접촉 패드를 포함한다), 제 3 기판과 정면 표면 사이의 캐비티를 정의하기 위하여 정면 표면에 제 3 기판을 장착하는 단계, 제 1 표면에 후면 표면을 장착하는 단계, 및 접촉 패드 중 하나 및 전도성 엘리먼트 중 하나 사이에서 각각 연장되며 접촉 패드 중 하나 및 전도성 엘리먼트 중 하나를 전기적으로 연결하는 복수의 와이어를 제공하는 단계를 포함하고, 제 3 기판은 캐비티로부터 제 3 기판을 통해 연장하는 제 1 개구부를 포함한다.
패키징된 센서 어셈블리를 형성하는 방법은 제 1 기판을 제공하는 단계 (제 1 기판은 대향하는 정면 표면 및 후면 표면, 정면 표면상에 형성되거나 또는 정면 표면내에 형성된 하나 이상의 검출기 및 정면 표면에 형성되고 하나 이상의 검출기에 전기적으로 커플링되는 복수의 접촉 패드를 포함한다), 제 2 기판과 정면 표면 사이의 캐비티를 정의하기 위하여 정면 표면에 제 2 기판을 장착하는 단계, 제 1 기판의 정면 표면내에 트렌치(trench)를 형성하는 단계, 및 접촉 패드 중 하나로부터 트렌치내로 각각 연장하는 복수의 전도성 트레이스(trace)를 형성하는 단계를 포함하고, 제 2 기판은 캐비티로부터 제 2 기판을 통해 연장하는 제 1 개구부를 포함한다.
명세서, 청구범위 및 첨부 도면을 검토함으로써 본 발명의 다른 목적 및 특징이 명백하게 될 것이다.
도 1a-1p는 이미지 센서에 대한 패키징된 센서 어셈블리를 형성할 때의 단계를 순차적으로 도시하는 측단면도이다.
도 2는 패키징된 센서 어셈블리에 장착된 렌즈 모듈을 도시하는 측단면도이다.
도 3은 화학적 센서에 대한 패키징된 센서 어셈블리를 도시하는 대안 실시예의 측단면도이다.
도 4a-도 4f는 패키징된 센서 어셈블리의 대안 실시예를 형성할 때의 단계를 순차적으로 도시하는 측단면도이다.
도 5a-도 5b는 센서에 걸쳐 물리 물질의 흐름을 제공하기 위한 보호 기판내의 다수의 개구부를 도시하는 측단면도이다.
도 6은 센서에 걸쳐 물리 물질의 비-선형 흐름을 제공하기 위한 캐비티내의 보호 기판 및 댐 구조물내의 다수의 개구부를 도시하는 측단면도이다.
도 2는 패키징된 센서 어셈블리에 장착된 렌즈 모듈을 도시하는 측단면도이다.
도 3은 화학적 센서에 대한 패키징된 센서 어셈블리를 도시하는 대안 실시예의 측단면도이다.
도 4a-도 4f는 패키징된 센서 어셈블리의 대안 실시예를 형성할 때의 단계를 순차적으로 도시하는 측단면도이다.
도 5a-도 5b는 센서에 걸쳐 물리 물질의 흐름을 제공하기 위한 보호 기판내의 다수의 개구부를 도시하는 측단면도이다.
도 6은 센서에 걸쳐 물리 물질의 비-선형 흐름을 제공하기 위한 캐비티내의 보호 기판 및 댐 구조물내의 다수의 개구부를 도시하는 측단면도이다.
본 발명은 센서 칩에 보호를 제공하고, 오프 칩 칩 시그널링 연결성을 제공하며 크기를 최소화하며 그리고 신뢰성 있게 제조될 수 있는 패키징 솔루션이다.
도 1a-도 1p는 패키징된 센서 어셈블리(1)의 형성을 도시한다. 도 1a에 도시된 바와같이, 형성은 다수의 센서(12)가 웨이퍼(10)(기판)상에 형성되는 것과 함께 시작한다. 도시를 위하여, 패키징된 센서의 형성은 광 센서와 관련하여 설명될 것이나 임의의 센서(예컨대, 화학적 센서 등)가 사용될 수 있다. 각각의 이미지 센서(12)는 복수의 광 검출기(14), 지원 회로(16) 및 접촉 패드(18)를 포함한다. 센서(12)는 각각의 센서(12)의 활성 영역(17)상에 입사하는 광을 검출하여 측정하도록 구성된다. 접촉 패드(18)는 광 검출기(14) 및 오프 칩 시그널링을 제공하기 위한 광 검출기(14)의 지원 회로(16)에 전기적으로 연결된다. 각각의 광 검출기(14)는 광 에너지를 전압 신호로 변환한다. 전압을 증폭하고 그리고/또는 이를 디지털 데이터로 변환하기 위한 추가 회로가 포함될 수 있다. 컬러 필터 및/또는 마이크로렌즈(20)는 광 검출기(14)위에 장착될 수 있다. 이러한 타입의 센서는 당업계에 잘 알려져 있어서 본원에서 추가로 설명되지 않는다.
다음에, 센서 윈도우 개구부를 가진 보호 기판이 형성된다. 보호 기판(22)은 유리, 또는 임의의 다른 광 투명 또는 반-투명 경성 기판일 수 있다. 유리는 바람직한 재료이다. 50 내지 1500μm 범위의 유리 두께가 바람직하다. 센서 영역 윈도우 개구부(24)는 예컨대 레이저, 샌드블라스팅(sandblasting), 에칭 또는 임의의 다른 적절한 캐비티 형성 방법에 의해 보호 기판(22)에 형성된다. 보호 기판(22)에 형성된 개구부(24)는 도 1b에 도시된다. 개구부(24)의 측벽은 도시된 바와같이 수직할 수 있거나 또는 내부 또는 외부로 테이퍼링될(tapered) 수 있다. 바람직하게, 도 1d 및 도 1f에 각각 예시된 바와같이, 개구부(24)는 이들이 배치될 기저 활성 영역(17)과 크기가 동일하거나 또는 이보다 더 작다. 대안적으로, 도 1c 및 도 1e에 도시된 바와 같이, 각각의 활성 영역(17)에 대해 다수의 개구부(24)가 존재할 수 있다. 각각의 활성 영역은 적어도 하나의 개구부(24)를 가질 것이다. 개구부(24)는 특정 센서 기능에 적합한 임의의 형상 또는 크기를 가질 수 있다. 개구부(24)는 통상적인 이미지 센서 패키지에 존재하는 광학적 투명 보호 기판에 의해 유발된 왜곡 및 광자 손실을 제거함으로써 이미지 센서에게 유익할 것이다. 개구부(24)는 또한 센서 활성 영역(17)을 환경에 노출시켜서, 화학적 센서 검출기가 센서에게 노출되는 물리 물질, 예컨대 가스 및 화학 물질을 검출하도록 할 수 있다.
선택적인 스페이서 재료(spacer material)(26)의 층은 개구부(24)가 형성되기 전에 또는 개구부(24)가 형성된 이후에 보호 기판(22) 상에 증착된다. 스페이서 재료(26)는 폴리머, 에폭시 및/또는 임의의 다른 적절한 재료(들)일 수 있다. 증착은 롤러, 스프레이 코팅, 스크린 프린팅 또는 임의의 다른 적절한 방법(들)에 의해 구현될 수 있다. 증착된 재료의 두께는 5 내지 500μm의 범위에 있을 수 있다. 스페이서 재료(26)는 도 1g에 도시된 바와같이 개구부(24)의 에지에 정렬될 수 있거나 또는 도 1h에 도시된 바와같이 개구부(24)의 에지로부터 이격될 수 있거나 또는 도 1i에 도시된 바와같이 이들 둘다의 조합이 수행될 수 있다. 바람직하게, 스페이서 재료(26)는 그 스페이서 재료(26)가 장착되는 기판(10)의 접촉 패드(18) 및 활성 영역(17)과의 접촉을 피하도록 배치된다(예컨대, 활성 영역(17)과 이의 개별 접촉 패드(18) 사이에 배치될 수 있다).
보호 구조물(기판(22) 및 스페이서 재료(26))은 결합제(bonding agent)를 사용하여 기판(10)의 활성 면에 본딩된다. 결합제는 롤러 또는 이후 당업계에 잘 알려진 열 경화 또는 임의의 다른 적절한 본딩 방법에 의해 증착된 에폭시일 수 있다. 보호 테이프(28)는 보호 기판(22) 위에 배치되어, 각각의 이미지 센서(12)에 대해 기밀 밀봉된 캐비티(30)를 형성한다. 캐비티(30)의 높이는 바람직하게 5 내지 500μm의 범위내에 있다. 캐비티(30)는 가스, 액체로 충전될 수 있거나 또는 진공을 생성함으로써 모든 가스가 배출될 수 있다. 기판(10)은 자신의 후면으로부터 재료를 제거함으로써 선택적으로 얇게 될 수 있다. 실리콘 기판(10)의 경우에, 기계적 연마(mechanical grinding), 화학 기계적 폴리싱(CMP: chemical mechanical polishing), 습식 에칭, 대기압 다운스트림 플라즈마(ADP: atmospheric downstream plasma), 건식 화학 에칭(DCE: dry chemical etching) 또는 전술한 프로세스의 조합 또는 임의의 다른 적절한 실리콘 박막화 방법(들)에 의해 실리콘 박막화가 수행될 수 있다. 박막화된 기판(10)의 두께는 100 내지 2000μm의 범위내에 있다. 결과적인 구조물은 도 1j에 도시된다.
센서(12) 사이 그리고 접촉 패드(18) 위에 있는 보호 기판(22)의 부분은 레이저 절단 장비, 기계적 소잉(mechanical sawing), 전술한 프로세스의 조합 또는 임의의 다른 적절한 유리 절단 방법(들)을 사용하여 제거될 수 있다. 레이저 절단은 바람직한 절단 방법이다. 이러한 프로세스는 다른 센서(12)에 대한 다른 보호 캐비티로부터 각각의 보호 캐비티(30)를 분리하여, 보호 캐비티 싱귤레이션(protective cavity singulation)을 달성한다. 이러한 단계는 또한 센서 패드(18)를 노출시킨다. 이후, 기판(10)은 각각의 센서(12) 및 이의 개별 패키징을 분리하기 위하여 싱글레이션/다이싱된다(singulated/diced). 웨이퍼 레벨 다이싱/싱귤레이션은 기계적 블레이드 다이싱 장비, 레이저 절단 또는 임의의 다른 적절한 프로세스로 수행될 수 있다. 결과적인 구조물은 도 1k에 도시된다.
호스트 기판 어셈블리(34)는 먼저 호스트 기판(36)을 제공함으로써 형성되는데, 이 기판은 유기 연성 PCB, FR4 PCB, 실리콘(경성), 유리, 세라믹 또는 임의의 다른 타입의 패키징 기판일 수 있다. 수직 상호연결 액세스(VIA: Vertical Interconnect Access) 개구부(38)는 기계적 드릴링(mechanical drilling), 레이저, 건식 에칭, 습식 에칭, 또는 당업계에 잘 알려진 임의의 다른 적절한 VIA 개구부 형성 방법(들)에 의해 호스트 기판(36)을 통해 만들어질 수 있다. 바람직하게, 레이저는 VIA 개구부(38)를 형성하기 위하여 사용된다. VIA 개구부 벽은 깔대기 형상을 형성하기 위하여 테이퍼링될 수 있거나 또는 VIA의 최상부 부분 및 최하부 부분 둘 다는 실린더형 형상을 형성하기 위하여 동일한 크기를 가진다. 결과적인 구조물은 도 1l에 도시된다.
유전체 재료층(40)은 (VIA 개구부(38)의 측벽을 포함하는) 호스트 기판(36)의 모든 표면위에 형성된다. 층(40)은 호스트 기판(36)이 전도성 실리콘과 같은 전도성 재료로 만들어지는 경우에 바람직하다. 유전체 물질층(40)은 물리 기상 증착(PVD: Physical Vapor Deposition)에 의해 증착된 이산화실리콘일 수 있다. 만일 호스트 기판(36)이 연성 PCB 또는 FR4 수지와 같은 비-전도성 유기 재료로 만들어지면, 유전체층(40)이 생략될 수 있다. 이후, 전기적 전도성 재료(42)는 (부분적으로 또는 완전히 충전한 VIA 개구부(38)를 포함하는) 호스트 기판(36)의 모든 표면 위에 형성된다. 전기적 전도성 재료(42)는 구리, 알루미늄, 전도성 폴리머 또는 임의의 다른 적절한 전기 전도성 재료(들)일 수 있다. 전기적 전도성 재료(42)는 물리 기상 증착(PVD), 화학 기상 증착(CVD: Chemical Vapor Deposition), 도금 또는 임의의 다른 적절한 증착 방법(들)에 의해 증착될 수 있다. 도 1m에 도시된 바와같이, VIA 개구부(38)의 측벽은 전도성 재료(42)로 코팅될 수 있거나 또는 VIA 개구부(38)는 전도성 재료(42)로 완전하게 충전될 수 있다.
포토레지스트(44)의 층은 호스트 기판(36)의 최상부 표면 및 최하부 표면 모두 위에 증착된다. 포토레지스트 증착 방법은 스프레이 코팅 또는 임의의 다른 적절한 증착 방법(들)일 수 있다. 포토레지스트(44)는 당업계에 잘 알려진 적절한 포토리소그래피 프로세스를 사용하여 노출 및 에칭되어, VIA 개구부(38) 및 경로 위에만 포토레지스트(44)를 남기며, 이는 결국 트레이스(trace)를 형성할 것이다. 전도성 층(42)의 노출된 부분(즉, 나머지 포토레지스트(44) 아래에 있지 않은 부분)을 제거하기 위하여 전도성 재료 에칭이 수행된다. 예컨대, 리드, 콘택, 재라우팅된 콘택 및 트레이스는 이러한 에칭에 의해 형성될 수 있으며, 이러한 에칭은 당업계에 잘 알려진 건식 또는 습식 에칭 방법을 사용할 수 있다. 결과적인 구조물은 도 1n에 도시된다.
포토레지스트는 황산, 아세톤 또는 임의의 다른 적절한 포토레지스트 스트리핑 방법(photoresist stripping method)을 사용하여 스트리핑된다(stripped). 전도성 재료(42)에 대해 선택적인 도금 프로세스(예컨대, Ni/Pd/Au)가 수행될 수 있다. 호스트 기판(36)의 최하부 측면상의 VIA 개구부(38) 위의 전도성 재료(42)상에 인터커넥트(46)가 형성된다. 인터커넥트는 볼 그리드 어레이(BGA), 랜드 그리드 어레이(LGA: land grid array), 범핑(bumping), 구리 필러(copper pillar) 또는 임의의 다른 적절한 인터커넥트 방법일 수 있다. 볼 그리드 어레이는 바람직한 상호 연결 방법 중 하나이며, 스크린 프린팅(screen printing)과 이 이후 리플로우 프로세스(reflow process)에 의해 증착될 수 있다. 이후, 앞서 설명된 (센서(12)를 가진) 싱귤레이팅된 기판(singulated substrate)(10)은, 예컨대 기판(10) 또는 호스트 기판(36) 또는 이들 양쪽 모두 위에 접착제를 증착하고 호스트 기판(36)상에 기판(10)을 피킹/배치(picking/placing)하고 이후 적절한 경화 프로세스를 수행함으로써, 적절한 접착제(48)를 사용하여 호스트 기판에 부착된다. 접촉 패드(18)와 VIA 개구부(38)내의 전도성 재료(42) 사이의 전기 인터커넥트가 추가되는데, 이는 바람직하게 당업계에서 잘 알려진 본딩 와이어(50)이다. 결과적인 구조물은 도 1o에 도시된다.
오버몰드 재료(overmold material)(52)는 호스트 기판(36)상에 그리고 장착된 센서(12)사이 내에 분배된다. 오버몰드 재료(52)는 에폭시, 수지 또는 당업계에 잘 알려진 임의의 다른 오버몰드 재료(들)일 수 있다. 경화된 오버몰드 재료(52)의 상부 표면은 바람직하게 보호 기판(22)의 상부 표면 보다 낮고 유선 본드 콘택의 상부 표면 보다 높다. 이후, 호스트 기판(36)은 장착된 센서(12) 사이의 스크라이브 라인(scribe line)을 따라 싱귤레이팅된다. 패키지의 다이싱/싱귤레이션은 기계적 블레이드 다이싱 장비, 레이저 절단 또는 임의의 다른 적절한 프로세스로 수행될 수 있다. 완성된 센서 패키지는 인터커넥트(46)를 통해 제 2 호스트 기판(54)에 장착된다. 제 2 호스트 기판(54)은 연성 PCB, 경성 PCB, 또는 접촉 패드 및 전기 인터커넥트를 가진 임의의 다른 적용가능 기판일 수 있다. 이후, 보호 테이프(28)는 제거되어, 센서(12)의 활성 영역(17)이 환경에 노출된다. 최종 패키징된 센서 어셈블리(1)가 도 1p에 도시된다.
최종 구조물에서, 센서(12)는 기판(10)위에서 최대로도 부분적으로만 연장하는 보호 기판에 의해 보호되며, 따라서 센서(12)는 환경에 노출된다. 특히, 구조물상에 입사하는 광은 임의의 투명 보호 기판을 통과하지 않고 센서(12)에 직접 전달될 수 있다. VIA 개구부(38)의 전도성 재료(42)는 기판(36)을 통과하고 와이어(50)와 인터커넥트(46) 사이에서 연장하는 전기 콘택 또는 전도성 엘리먼트를 통과하여 형성된다. 오버몰딩 재료(52)는 와이어(50) 연결을 보호한다.
도 2는 도 1p의 구조물에 장착될 수 있는 렌즈 모듈(60)을 도시한다. 렌즈 모듈(60)은 하우징(62)을 포함하며, 하우징(62)내에서 하나 이상의 렌즈(64)는 어느 보호 기판도 통과하지 않고 이미지 센서(12)상에 인입 광을 포커싱하도록 장착된다.
도 3은 이미지 센서(12) 대신에 화학적 센서(70)를 가진 패키징된 센서 어셈블리(1)를 도시한다. 화학적 센서(70)는 개구부(24)를 통해 캐비티(30)내에 입사하는 특정 화학물 또는 입자의 존재를 검출하기 위하여 기판(10)상에 또는 기판(10)내에 형성되는 하나 이상의 화학적 검출기(72)를 포함한다. 화학적 검출기(72)는 검출된 화학물 또는 입자에 응답하여 신호를 생성하며, 접촉 패드(18)에 이들 신호를 제공한다. 이러한 타입의 화학적 센서는 당업계에 잘 알려져 있어서 본원에서 추가로 설명되지 않는다.
도 4a 내지 4f는 패키징된 센서 어셈블리의 다른 실시예의 형성(formation)을 도시한다. 이러한 형성은 도 1k에 도시된 구조물과 함께 그러나 다이싱/싱귤레이션 전에 시작한다. 포토레지스트(44)의 층은 구조물 위에 증착된다. 포토레지스트 증착은 스프레이 코팅 또는 임의의 다른 적절한 증착 방법(들)에 의해 달성될 수 있다. 포토레지스트(74)는 당업계에 잘 알려진 적절한 포토리소그래피 프로세스를 사용하여 노출되어 선택적으로 에칭된다. 경화된/단단하게 된(cured/hardened) 포토레지스트(74)는 센서(12) 사이의 기판의 부분이 노출된 상태에 있게 한다. 기판(10)의 노출된 부분은 기판(10)의 최상부 표면내에 트렌치를 형성하기 위하여 (예컨대, 이방성 건식 에칭에 의해) 에칭된다. CF4, SF6, NF3, Cl2, CCl2F2의 에천트 또는 임의의 다른 적절한 에천트가 사용될 수 있다. 트렌치(76)의 바람직한 깊이는 기판(10) 두께의 5% 내지 50%의 범위에 있다. 결과적인 구조물은 도 4a에 도시된다.
포토레지스트(74)는 아세톤 또는 당업계에 잘 알려진 임의의 다른 건식 플라즈마 또는 습식 포토레지스트 스트리핑 방법을 사용하여 스트리핑된다. 이산화실리콘 또는 실리콘 질화물과 같은 절연 재료(78)의 패시베이션(passivation) 층은 구조물 위에 증착된다. 바람직하게, 패시베이션 층(78)은 이산화실리콘으로 만들어지며, 적어도 0.5μm이다. 이산화실리콘 증착은 물리 기상 증착(PVD), PECVD 또는 임의의 다른 적절한 증착 방법(들)을 사용하여 수행될 수 있다. 포토레지스트(80)의 층은 패시베이션 층(78) 위에 증착된다. 포토레지스트(80)는 접촉 패드(18) 위에서, 그리고 스페이서 재료(26), 보호 기판(22) 및 테이프(28)를 따라 그리고 이들 위에서 포토레지스트의 부분을 제거하기 위하여 당업계에 잘 알려진 적절한 포토리소그래피 프로세스를 사용하여 노출되어 선택적으로 에칭된다(따라서, 이들 영역위에서 패시베이션 층(78)의 부분을 노출시킨다). 패시베이션 층(78)의 노출된 부분은 접촉 패드(18), 스페이서 재료(26), 보호 기판(22) 및 테이프(28)를 노출시키기 위하여 예컨대 플라즈마 에칭에 의해 제거된다. 만일 패시베이션 층(78)이 이산화실리콘이면, CF4, SF6, NF3의 에천트(etchant) 또는 임의의 다른 적절한 에천트가 사용될 수 있다. 만일 패시베이션 층(78)이 실리콘 질화물이면, CF4, SF6, NF3, CHF3의 에천트 또는 임의의 다른 적절한 에천트가 사용될 수 있다. 결과적인 구조물이 도 4b에 도시된다.
포토레지스트(80)가 제거된 이후에, 전기적 전도성 재료(82)가 구조물 위에 증착된다. 전기적 전도성 재료(82)는 구리, 알루미늄, 전도성 폴리머 또는 임의의 다른 적절한 전기 전도성 재료(들)일 수 있다. 전기적 전도성 재료는 물리 기상 증착(PVD), 화학 기상 증착(CVD), 도금 또는 임의의 다른 적절한 증착 방법(들)에 의해 증착될 수 있다. 바람직하게, 전기적 전도성 재료(82)는 알루미늄이며, PVD에 의해 증착된다. 포토레지스트(84)의 층은 구조물 위에 증착된다. 포토레지스트(84)는 트렌치(76) 내에서 그리고 접촉 패드(18) 위에서 전기적 전도성 층(82) 위에 마스크를 형성하기 위하여 적절한 포토리소그래피 프로세스를 사용하여 노출되어 에칭된다. 포토레지스트(84)는 테이프(28), 보호 층(22), 스페이서 재료(26) 위에서 그리고 선택적으로 기판(10)이 트렌치(76)내에서 다이싱될 위치에서 제거되어, 이들 영역에서 전기적 전도성 층(82)이 선택적으로 노출된다. 전기적 전도성 층(82)의 노출된 부분은 예컨대 건식 에칭 방법 또는 습식 에칭 방법을 사용하여 제거된다. 전기적 전도성 층(82)의 나머지 부분은 접촉 패드(18) 중 하나로부터 트렌치(76) 중 하나의 트렌치의 최하부에 이르기까지 각각 연장하는 복수의 개별 트렌치(리드)를 형성한다. 습식 에칭을 위한 에천트는 인산(H3PO4), 아세트산, 질산(HNO3) 또는 임의의 다른 적절한 에천트(들)일 수 있다. 건식 에칭을 위한 에천트는 Cl2, CCl4, SiCl4, BCI3 또는 임의의 다른 적절한 에천트(들)일 수 있다. 건식 에칭은 이러한 리드 형성을 위한 바람직한 방법이다. 선택적으로, 전기적 전도성 재료(82)는 보호 기판의 측벽상에 남아 있을 수 있다. 결과적인 구조물이 도 4c에 도시된다.
이후, 나머지 포토레지스트(84)가 제거된다. 선택적으로, 도금 프로세스(예컨대, Ni/Pd/Au)는 리드(전도성 층(82))상에서 수행될 수 있다. 선택적인 캡슐화제(encapsulant)(86)는 전도성 리드 구조물 위에 증착된다. 캡슐화제 층(86)은 폴리이미드, 세라믹, 폴리머, 폴리머 화합물, 페릴렌, 금속 산화물, 이산화실리콘, 실리콘 질화물, 에폭시, 실리콘, 포슬린, 질화물, 유리, 이온 결정, 수지 및 전술한 재료의 조합 또는 임의의 다른 적절한 유전체 재료(들)일 수 있다. 캡슐화제 층(86)은 두께가 바람직하게 0.1 내지 2 μm이며, 바람직한 재료는 액정 포토리소그래피 폴리머, 예컨대 스프레이 코팅에 의해 증착될 수 있는 솔더 마스크(solder mask)이다. 현상된/경화된 캡슐화(84)가 리드 위를 제외하고 제거되는 포토리소그래피 프로세스가 수행된다. 트렌치(76)의 최하부에서 캡슐화층(86)의 개구부를 형성함으로써 재라우팅된 콘택(88)이 생성될 수 있다. 선택적으로, 캡슐화 재료는 보호 기판(22) 측벽상에 및/또는 테이프(28) 상에 남아 있을 수 있다. 결과적인 구조물이 도 4d에 도시된다.
컴포넌트의 웨이퍼 레벨 다이싱/싱귤레이션은 바람직하게 트렌치(76)의 최하부에서 기계적 블레이드 다이싱 장비, 레이저 절단 또는 임의의 다른 적절한 프로세스로 수행될 수 있다. 인터커넥트(90)는 재라우팅된 접촉 패드상에 또는 연성-PCB상에 형성될 수 있다. 인터커넥트(90)는 BGA, LGA, 스터드 범프(stud bump), 도금 범프, 접착 범프, 폴리머 범프, 구리 필러, 마이크로-포스트(micro-post) 또는 임의의 다른 적절한 상호연결 방법(들)일 수 있다. 바람직하게, 인터커넥트(90)는 전도성 재료(들) 및 접착 재료(들)의 합성물인 접착 범프로 만들어진다. 전도성 재료(들)는 땜납, 은, 구리, 알루미늄, 금, 전술한 재료의 조합 또는 임의의 다른 적절한 전도성 재료(들)일 수 있다. 접착 재료(들)는 바니시, 수지 및 전술한 재료의 조합, 또는 임의의 다른 적절한 접착 재료(들)일 수 있다. 전도성 접착제는 공압 디스펜싱 건(pneumatic dispensing gun) 또는 임의의 다른 적절한 디스펜싱 방법(들)에 의해 증착되며, 이후 가열, UV 또는 임의의 다른 적절한 경화 방법(들)에 의해 경화될 수 있으며, 그 결과 범프가 형성될 수 있다.
연성-PCB는 기판(10)의 모든 면, 3개의 면, 2개의 면 또는 1개의 면상에 장착될 수 있다. 예컨대, 2개의 연성-PCB(92)는 기판(10)의 양쪽 면에 본딩될 수 있다. 대안적으로, 윈도우 개구부를 가진 단일 연성-PCB(92)가 사용될 수 있으며, 기판(10)의 1개, 2개, 3개 또는 모든 면에서 연장될 수 있다. 연성-PCB(92)는 하나 이상의 회로 층(93) 및 이에 연결된 접촉 패드(18a)를 가진 임의의 경성 또는 연성 기판일 수 있다. 인터커넥트(90)는 접촉 패드(18a)와 전도성 트레이스(82) 사이에 전기적으로 연결된다. 센서 패키지는 사전-주조된 몰드내에 배치되며, 이후 선택된 오버몰드 화합물(94)이 몰드내에 주입된다. 오버몰드 재료(94)는 에폭시, 폴리머, 수지 또는 당업계에 잘 알려진 임의의 다른 오버몰드 재료(들)일 수 있다. 경화된 오버몰드 재료의 최상부 표면은 높이가 보호 기판(2)의 최상부 표면과 동일할 수 있으나 바람직하게는 더 높이 연장되지 않는다. 경화된 오버몰드 재료(94)는 바람직하게는 기판(10)을 초과하여 연장되지 않는다. 이후, 보호 테이프(28)는 제거되어, 센서 활성 영역을 환경에 노출시킨다. 결과적인 구조물이 도 4e에 도시된다. 앞서 설명된 선택적인 렌즈 모듈(60)은 도 4f에 도시된 바와같이 구조물의 최상부상에 부착될 수 있다.
앞서 설명된 구조물은 알려진 패키지 보다 더 컴팩트(compact)한 COF(Chip-On-Film) 패키지를 제공한다. 기판 다이(10)의 에지(edge)상에 스텝 구조물을 생성함으로써 보다 얇은 구조물이 획득될 수 있으며, 이후 제 2 스텝 표면상에 복수의 금속 트레이스 및 재라우팅된 접촉 패드가 형성되며, 제 2 스텝 표면은 금속 트레이스를 통해 최상부 표면 접촉 패드(18)에 연결된다. 연성 케이블 및/또는 PCB는 그 제 2 스텝 표면에 본딩된다. 이러한 구조물은 보호 기판(22)을 호스트 기판상에 장착하는 것보다 오히려 보호 기판(22)을 센서 다이(10)상에 직접 본딩함으로써 보호 기판(22)의 높이를 낮추어서, 패키지 두께를 감소시킨다.
앞서 설명된 구조물은 또한 패키지 구조물을 통해 이미지 센서의 감도를 증가시킨다. 특히, 단순히 광 경로를 차단하지 않음으로써 보다 큰 광자 감도가 달성될 수 있다. 센서 영역 캐비티에 어느 투명 언더필(underfill)도 사용하지 않고 개구부(24)를 보호 기판(22)에 생성함으로써, 보다 높은 정확도로 더 많은 광자가 활성 영역에 도달할 수 있다. 종래의 디바이스는 센서 영역을 기밀 밀봉하여 이 센서 영역을 보호하기 위하여 보호 기판 및 투명 언더필에 의존한다. 그러나, 동일한 기밀 밀봉이 렌즈 모듈(60)로 달성될 수 있다. 마지막으로, 몰드를 접착제/언더필로서 단지 본딩 표면 둘레에 적용하는 것보다 오히려 오버몰드 재료(52/94)를 사용하여 전체 본딩 영역을 밀폐함으로써, 보다 양호한 구조적 완전성이 달성된다.
화학적 센서 실시예에 있어서, 캐비티(30)를 통해 그리고 센서의 활성 영역 위에서 물리 물질의 흐름을 용이하게 하기 위하여 다수의 개구부(24)가 사용될 수 있다. 입력 및 출력 어태치먼트(attachment)(96 및 98)는 보호 기판(22)상의 개구부(24)에 연결되며, 따라서 물리 물질, 예컨대 가스 또는 액체가, 도 5a 및 도 5b의 화살표에 의해 표시된 바와 같이, 패키징된 구조물을 통해 흐른다. 선택적인 댐 구조물(100)은 도 6에 도시된 바와 같이 비-선형 경로의 캐비티를 통해 물리 물질을 안내하기 위하여 캐비티(30)에 포함될 수 있다.
본 발명은 앞서 설명되고 본원에서 예시된 실시예(들)에 제한되는 것이 아니라 첨부된 청구항들의 범위내에 속하는 임의의 및 모든 변형들을 포함한다는 것이 이해되어야 한다. 예컨대, 여기에서 본 발명에 대한 참조는 임의의 청구항 또는 청구항 용어의 범위를 제한하는 것으로 의도되는 것이 아니라 대신에 단순히 청구범위의 하나 이상의 청구항에 의해 커버될 수 있는 하나 이상의 특징을 참조한다. 앞서 설명된 재료, 프로세스 및 수치 예는 단지 예시적이며, 청구항들을 제한하는 것으로 간주되지 않아야 한다. 게다가, 청구범위 및 명세서로부터 명백한 바와 같이, 모든 방법 단계가 예시된 또는 청구된 바로 그 순서로 수행될 필요가 있는 것이 아니라, 오히려 패키징된 센서 어셈블리(1)의 적절한 형성을 가능하게 하는 임의의 순서로 수행될 필요가 있다. 마지막으로, 단일 재료층은 이러한 또는 유사한 재료의 다수의 층으로서 형성될 수 있으며, 그 반대의 경우도 마찬가지다.
본원에서 사용되는 용어 "위에(over)" 및 "상에(on)" 둘다가 "상에 직접적으로(directly on)"(중간 재료, 엘리먼트 또는 공간이 사이에 배치되지 않음) 및 "상에 간접적으로(indirectly on)" (중간 재료, 엘리먼트 또는 공간이 사이에 배치됨)를 포괄적으로 포함한다는 것에 주목해야 한다. 마찬가지로, 용어 "에 장착된(mounted to)"은 "에 직접적으로 장착된(directly mounted to)"(중간 재료, 엘리먼트 또는 공간이 사이에 배치되지 않음) 및 "에 간접적으로 장착된(indirectly mounted to)"(중간 재료, 엘리먼트 또는 공간이 사이에 배치됨)를 포함하며, "전기적으로 커플링된(electrically coupled)"은 "에 직접적으로 전기적으로 커플링된(directly electrically coupled to)"(엘리먼트를 함께 전기적으로 연결하는 중간 재료 또는 엘리먼트가 사이에 존재하지 않음) 및 "에 간접적으로 전기적으로 커플링된(indirectly electrically coupled to)"(엘리먼트를 함께 전기적으로 연결하는 중간 재료 또는 엘리먼트가 사이에 존재함)을 포함한다. 예컨대, "기판 위에(over a substrate)" 엘리먼트를 형성하는 것은 중간 재료/엘리먼트를 기판과 엘리먼트 사이에 형성하지 않고 기판상에 엘리먼트를 직접 형성하는 것 뿐만아니라 하나 이상의 중간 재료/엘리먼트를 기판과 엘리먼트 사이에 형성하여 기판상에 엘리먼트를 간접적으로 형성하는 것을 포함할 수 있다.
Claims (40)
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- 패키징된 센서 어셈블리로서,
대향하는 정면 표면 및 후면 표면을 포함하는 제 1 기판;
상기 정면 표면상에 형성되거나 또는 상기 정면 표면내에 형성된 하나 이상의 검출기;
상기 정면 표면에 형성되고 상기 하나 이상의 검출기에 전기적으로 커플링되는 복수의 접촉 패드;
제 2 기판과 상기 정면 표면 사이의 캐비티를 정의하기 위하여 상기 정면 표면에 장착되는 제 2 기판;
상기 후면 표면으로 연장하되 상기 후면 표면에 닿지 않는, 상기 제 1 기판의 정면 표면내에 형성된 트렌치;상기 접촉 패드 중 하나로부터 상기 트렌치내로 각각 연장하는 복수의 전도성 트레이스;
상기 트렌치에서 상기 전도성 트레이스의 상부 표면의 접촉 부분을 제외하고 상기 복수의 전도성 트레이스의 상부 표면을 커버링하는 절연 재료;
하나 이상의 회로 층 및 상기 하나 이상의 회로 층에 전기적으로 커플링된 복수의 접촉 패드를 가진 제 3 기판; 및
상기 전도성 트레이스 중 하나의 전도성 트레이스의 접촉 패드 중 하나 및 상기 제 3 기판의 접촉 패드 중 하나를 각각 전기적으로 연결하는 전기 커넥터를 포함하고,
상기 제 2 기판은 상기 캐비티로부터 상기 제 2 기판을 통해 연장하는 제 1 개구부를 포함하는 패키징된 센서 어셈블리. - 청구항 11에 있어서,
상기 제 2 기판은 상기 제 2 기판과 상기 정면 표면 사이에 배치되는 스페이서 재료에 의해 상기 정면 표면에 장착되는 패키징된 센서 어셈블리. - 청구항 11에 있어서,
상기 하나 이상의 검출기는 복수의 광 검출기를 포함하는 패키징된 센서 어셈블리. - 청구항 13에 있어서,
상기 제 1 개구부는 상기 복수의 광 검출기 위에 배치되는 패키징된 센서 어셈블리. - 청구항 11에 있어서,
상기 하나 이상의 검출기는 하나 이상의 화학적 센서를 포함하는 패키징된 센서 어셈블리. - 청구항 15에 있어서,
상기 캐비티로부터 상기 제 2 기판을 통해 연장하는 제 2 개구부를 더 포함하는 패키징된 센서 어셈블리. - 청구항 16에 있어서,
상기 제 1 개구부와 상기 제 2 개구부 사이의 비-선형 흐름 경로를 정의하는, 상기 캐비티내의 하나 이상의 댐 구조물을 더 포함하는 패키징된 센서 어셈블리. - 삭제
- 청구항 11항에 있어서,
상기 정면 표면, 상기 전기 커넥터 및 상기 제 3 기판 중 적어도 부분들을 인캡슐레이션하는 오버몰드 재료를 더 포함하는 패키징된 센서 어셈블리. - 청구항 19에 있어서,
상기 오버몰드 재료에 장착된 렌즈 모듈을 더 포함하며, 상기 렌즈 모듈은 상기 제 1 개구부를 통해 상기 하나 이상의 검출기 상에 광을 포커싱시키기 위하여 배치된 하나 이상의 렌즈 및 하우징을 포함하는 패키징된 센서 어셈블리. - 삭제
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- 삭제
- 패키징된 센서 어셈블리를 형성하는 방법으로서,
대향하는 정면 표면 및 후면 표면, 상기 정면 표면상에 형성되거나 또는 상기 정면 표면내에 형성된 하나 이상의 검출기, 및 상기 정면 표면에 형성되고 상기 하나 이상의 검출기에 전기적으로 커플링되는 복수의 접촉 패드를 포함하는 제 1 기판을 제공하는 단계;
제 2 기판과 상기 정면 표면 사이의 캐비티를 정의하기 위하여 상기 정면 표면에 상기 제 2 기판을 장착하는 단계;
상기 후면 표면으로 연장하되 상기 후면 표면에 닿지 않는, 상기 제 1 기판의 정면 표면내에 트렌치를 형성하는 단계;
상기 접촉 패드 중 하나로부터 상기 트렌치내로 각각 연장하는 복수의 전도성 트레이스를 형성하는 단계;
상기 트렌치에서 상기 전도성 트레이스의 상부 표면의 접촉 부분을 제외하고 상기 복수의 전도성 트레이스의 상부 표면을 절연 재료로 커버링하는 단계;
하나 이상의 회로 층 및 상기 하나 이상의 회로 층에 전기적으로 커플링된 복수의 접촉 패드를 가진 제 3 기판을 제공하는 단계; 및
상기 전도성 트레이스 중 하나의 전도성 트레이스의 접촉 패드 중 하나 및 상기 제 3 기판의 접촉 패드 중 하나를 각각 전기적으로 연결하는 전기 커넥터를 형성하는 단계를 포함하고,
상기 제 2 기판은 상기 캐비티로부터 상기 제 2 기판을 통해 연장하는 제 1 개구부를 포함하는 패키징된 센서 어셈블리를 형성하는 방법. - 청구항 31에 있어서,
상기 제 2 기판은 상기 제 2 기판과 상기 정면 표면 사이에 배치되는 스페이서 재료에 의해 상기 정면 표면에 장착되는 패키징된 센서 어셈블리를 형성하는 방법. - 청구항 31에 있어서,
상기 하나 이상의 검출기는 복수의 광 검출기를 포함하는 패키징된 센서 어셈블리를 형성하는 방법. - 청구항 33에 있어서,
상기 제 1 개구부는 상기 복수의 광 검출기 위에 배치되는 패키징된 센서 어셈블리를 형성하는 방법. - 청구항 31에 있어서,
상기 하나 이상의 검출기는 하나 이상의 화학적 센서를 포함하는 패키징된 센서 어셈블리를 형성하는 방법. - 청구항 35에 있어서,
상기 캐비티로부터 상기 제 2 기판을 통해 연장하는 제 2 개구부를 형성하는 단계를 더 포함하는 패키징된 센서 어셈블리를 형성하는 방법. - 청구항 36에 있어서,
상기 제 1 개구부와 상기 제 2 개구부 사이의 비-선형 흐름 경로를 정의하는, 상기 캐비티내의 하나 이상의 댐 구조물을 형성하는 단계를 더 포함하는 패키징된 센서 어셈블리를 형성하는 방법. - 삭제
- 청구항 31항에 있어서,
상기 정면 표면, 상기 전기 커넥터 및 상기 제 3 기판 중 적어도 부분들을 오버몰드 재료로 인캡슐레이션하는 단계를 더 포함하는 패키징된 센서 어셈블리를 형성하는 방법. - 청구항 39에 있어서,
상기 오버몰드 재료에 렌즈 모듈을 장착하는 단계를 더 포함하며, 상기 렌즈 모듈은 상기 제 1 개구부를 통해 상기 하나 이상의 검출기 상에 광을 포커싱시키기 위하여 배치된 하나 이상의 렌즈 및 하우징을 포함하는 패키징된 센서 어셈블리를 형성하는 방법.
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