TWI398934B - 晶圓級ｃｓｐ感測器 - Google Patents

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Description

晶圓級CSP感測器
本發明是關於內含一個封裝感測器的一種晶圓級晶片尺寸封裝(wafer level chip scale package,WLCSP)。
電子元件的封裝提供了多重的功能，這些功能包括了保護所封裝的電路晶粒的表面以及在晶粒和印刷電路板之間提供壓力釋放的機制。除此之外，封裝需要適合小尺寸、高密度以及低成本的應用需求。導線架封裝(lead frame package)是一種很有名且使用很久的元件封裝排列(device packing arrangement)。雖然它是堅固的封裝，但是對於一些較新的應用而言，例如許多的手機應用產品，它相對上是太大了。
最近，在切割成明顯地較小的封裝之前，電路晶粒在晶圓階段就已經被封裝了。晶圓級晶片尺寸封裝(wafer level chip scale package,WLCSP)將晶圓製造的流程延伸到包括元件的互相連接和元件保護程序來生產有著相同覆蓋範圍(footprint area)且僅稍微大於所包裝的晶粒的電子元件封裝。圖1顯示根據先前技術的典型WLCSP10 的底部立體視圖。晶圓晶粒11 包含元件電路12 。WLCSP10 底面的錫球電接點13 (也稱作凸塊(bumps))陣列將WLCSP10 裡面的電路連接到外部的電路結構，例如電路板。跟導線架封裝比較起來，WLCSP小多了而且生產費用也較低。然而，WLCSP或許在結構上有點較不堅固以致於無法適合所有的應用，所以導線架封裝仍保有重要的位置。
一個常見的電子元件應用是當做感測器來感測元件鄰近周遭的環境特徵。舉例來說，一個電子元件可以包括一個紅外線(IR)感測器，這感測器可以典型地被製作成元件晶粒的內部單元來組成一個積體電路晶片。這感測器典型地被一個蓋子所覆蓋，這個蓋子保護著感測器同時仍然允許這感測器來感測環境特徵。舉例來說，這個蓋子可以有個允許IR輻射線被感測到的透明窗口。參考文獻中的美國專利申請編號20070063145有描述用導線架封裝來製作一個IR感測器，但是沒有提供教導或建議如何用WLCSP可以來製作一個IR感測器。
本發明的實施包括一種有著內含電子電路的晶圓級晶片尺寸封裝(WLCSP)晶粒基板(die substrate)的電子封裝。直通矽晶穿孔(through-silicon vias)穿過晶粒基板將電子電路電連接到晶粒基板的底面。為了感測環境參數，一個封裝感測器被連接到晶粒基板。一個保護之封料層覆蓋在晶粒基板的頂面。一個在封裝感測器之上的感測器孔(sensor aperture)讓封裝感測器來獲取環境參數。
在進一步的具體實施例中，一個感測器蓋子覆蓋著封裝感測器而且有個上蓋面(upper cap surface)可讓環境參數穿透。這上蓋面也可以有聚焦單元來讓這封裝感測器可以聚焦環境參數。
在一個具體例裡，封裝感測器可以被連結到晶粒基板的頂面，而且感測器孔被包含在該保護之封料層。這保護之封料層有著和這個上蓋面齊平的頂面，或是這頂面可以高過這上蓋面，亦或這上蓋面可以突出於這保護之封料層的頂面之上。另外，這個封裝感測器也可以被連接到晶粒基板的底面，而且這個感測器孔可以被包含在覆蓋這封裝感測器的孔罩(aperture mask)之中。在某些實施例中，該保護之封料層厚度和孔的尺寸決定封裝感測器所感測的環境參數的感測範圍(sensing field)。而且，至少一個直通矽晶穿孔可以在感測器蓋子的下面，以及至少一個直通矽晶穿孔可以不在感測器蓋子的下面。
在任何一個上述的實施例中，該保護之封料層可以是不透明的。封裝感測器可以特性上是紅外線感測器、光學感測器、壓力感測器或是音頻麥克風(audio microphone)。
本發明的實施例也包括一種電子封裝，這電子封裝有著包含電子電路、一個頂面和一個底面的晶圓級晶片尺寸封裝(WLCSP)晶粒基板。電路連接裝置(circuit connecting means)穿過晶粒基板來將電子電路電連接到晶粒基板的底面。感測裝置(sensing means)被連結到晶粒基板來感測環境參數。包封裝置(encapsulating means)覆蓋晶粒基板的頂面，而孔裝置(aperture means)是在感測裝置之上讓感測裝置獲取環境參數。
在進一步的這些實施例中，可能會有覆蓋裝置(capping means)蓋住感測裝置且有著可以讓環境參數穿透的上蓋面。這個上蓋面可以進一步包括聚焦單元(focusing means)來聚焦環境參數給感測裝置使用。感測裝置可以被連接到晶粒基板的頂面，而孔裝置可以被包含在包封裝置內。這包封裝置可以有著齊平或高於上蓋面的頂面。或者，這上蓋面可以突出於該保護之封料層的頂面之上。在某些實施例中，包封裝置的厚度和孔裝置的尺寸決定感測裝置感測環境參數的感測範圍。而且，至少一個電路連接裝置可以在感測器蓋子(sensor cap)之下，以及，至少一個電路連接裝置可以不在覆蓋裝置之下。
在具體實施例中，感測裝置可以被連接到晶粒基板的底面，而且孔裝置可以被包含在覆蓋感測裝置的孔罩之中。包封裝置可以是不透明的。感測裝置可以是紅外線感測裝置(infrared sensing means)、光學感測裝置(optical sensing means)、壓力感測裝置(pressure sensing means)、或是音頻感測裝置(audio sensing means)。
包含一電子感測器(例如紅外線(IR)感測器)的晶圓級晶片尺寸封裝(WLCSP)是有需求的。如此較小且較不昂貴的封裝對許多現有的應用是有用的。圖2顯示有著晶粒基板的WLCSP200 的一個例子，該晶粒基板包含不同的電子電路和/或不同的機電元件，例如MEMS元件。直通矽晶穿孔207 穿過晶粒基板201 將電子電路電連接到晶粒基板201 的底面。這種直通矽晶穿孔207 (在較大的導線架封裝或許不需要)的使用能幫助將相對小尺寸的WLCSP200 連接到外面的電路結構，例如電路板202 。
一封裝感測器203 (例如IR感測器)被連接到晶粒基板201 的頂面來感測環境參數，例如紅外輻射線。雖然本發明的不同示範實施例在這裡被討論，但是對於熟悉技術的人而言，可以做不同的變更和修改應該是明顯的，這些變更和修改會得到本發明的某些優點而不會脫離本發明的真正範圍。舉例來說，雖然封裝感測器203 以指定的紅外線(IR)感測器的形式被討論，在其他實施例中，封裝感測器可以是其他特定的感測器，例如光學感測器、壓力感測器或是音頻麥克風。
一不透明的保護之封料層205 覆蓋在晶粒基板201 的頂面並且保護晶粒基板201 中的電路和/或元件。也就是說，這封料層保護元件免於許多不同種類的環境危害，包括但不限於濕氣、機械性震動以及環境輻射線，例如封裝感測器203 所要偵測的IR輻射線。封料層205 上表面也方便這感測器封裝的拿起和處理，例如電路板組裝系統的操作定位使用。
一感測器蓋子204 蓋住封裝感測器203 ，並且具有上蓋面可讓環境參數穿透。圖2所示的實施例中，該保護之封料層205 具有與感測器蓋子204 的上蓋面齊平的一頂面。在感測器蓋子204 的上蓋面之上的一不透明孔罩206 包含了一開口，該開口定義了封裝感測器203 上面能讓封裝感測器獲取環境參數的感測器孔209 。該封料層205 也保護感測器蓋子204 ，並且防止環境參數(例如IR輻射線)從蓋子的側面進入封裝感測器203 。除此之外，感測器蓋子204 也提供一個適合的環境(例如真空)給任何可能含入的微機械單元(例如MEMS構造體)。
感測器蓋子204 的上蓋面也可以包含聚焦單元來聚焦環境參數給封裝感測器203 。舉例來說，在一實施例中，聚焦單元是被蝕刻進感測器蓋子204 的上蓋面的光學環(optical rings)。蝕刻成的矽晶聚焦單元在美國專利申請案20060163453有較詳細地解釋，此申請案為本案的參考文獻之一。
圖3顯示WLCSP感測器封裝300 的第二個實施例，在此例中，該保護之封料層305 的頂面高於保護蓋204 的上蓋面，這使得感測器孔變得較深。這也刪除了圖2所示的不透明孔罩206 的需求。在另一個實施例中，WLCSP封裝可以有封裝感測器連接到晶粒基板的底面和/或感測器孔可以被形成在覆蓋封裝感測器的孔罩之中。在某些實施例中，該保護之封料層305 的厚度和感測器孔309 的尺寸可以被安排來決定封裝感測器感測環境參數的感測範圍。
圖4顯示類似圖3所示的WLCSP400 的另一個實施例。在圖4的實施例中，某些或全部的直通矽晶穿孔402 可以在感測器蓋子204 的下面，然而其餘的直通矽晶穿孔402 可以不在感測器蓋子204 的下面而是在外面。這樣的排列可以被用來將晶片上的感測器元件單元和電子電路單元獨立地連接到下面的電路板，如此一來，晶片上的感測器元件單元和電子電路單元之間的某些或全部連接是穿過直通矽晶穿孔402 和207 以及下面的電路板，而不是直接穿過晶片結構或連接。當以特殊應用來實現特定的WLCSP400 時，這可以是個很好有彈性允許某些特殊應用客製化的方法。
標準WLCSP製造流程可以不包括感測器覆蓋和封料成形步驟。在晶圓分割成單一元件之前，感測器蓋子204 可以被貼附在矽晶晶粒基板201 上。特別地，在晶圓分割之前，一個實施例可以將個別的矽晶感測器蓋子204 貼附到矽晶圓上個別的晶粒基板位置(例如，使用膠或其他黏著劑，如Ablestik 8290晶粒貼附膠)，或者二擇一地，一個蓋子結構體(cap structure)可以包含多個被正確地隔開且排列的感測器蓋子204 (例如為整個晶圓或部份晶圓)，這些蓋子被適當地放置在晶圓之上。在放置感測器蓋子204 之後，蓋子結構體可以在封裝之前被移除(例如打破易碎的連接點)，或者在某些實施例中，蓋子結構體被純粹地留下來，在密封材料(encapsulant material)成形時被它所覆蓋。一旦感測器蓋子204 已經被貼附在晶粒基板上201 ，孔罩(如果有的話)就可以被放上去，舉例來說，使用光蝕刻微影來製作。二擇一地，在感測器蓋子被貼附到晶粒基板之前，孔罩可以被事先在感測器蓋子上開發製作，或者，成形材料(mold compound)可以當作孔罩使用。
貼附感測器蓋子204 的矽晶圓藉由一模子(mold)覆蓋用於形成該封料層205 。模穴(mold cavity)的上部包括鑲嵌柱(insert posts)或塊(blocks)來定義感測器孔209 。液態的密封材料，例如Sumitomo G770系列的成形材料，被灌入模穴、流到孔鑲嵌物(aperture inserts)的周圍。一旦密封材料固化後，模子和孔鑲嵌物就被除去，而且晶圓可以被分割成單一的元件。
在WLCSP感測器封裝不同的優點之間，例如某些上述的，是比較舊較大的封裝解決方案明顯地還來得低成本。舉例來說，較舊一代的感測器封裝每個元件的製作成本可能大約$1.00，而本發明的某些實施例的成本可以更低，舉例來說，大約每個元件$0.10。
雖然本發明的不同的示範實施例已經被揭露，但是對於熟悉技術的人而言，可以做不同的變更和修改應該是明顯的，這些變更和修改會得到本發明的某些優點而不會離開本發明的真正範圍。
10‧‧‧晶圓級晶片尺寸封裝(WLCSP)
11‧‧‧晶圓晶粒
12‧‧‧元件電路
13‧‧‧錫球電接點(凸塊)
200‧‧‧晶圓級晶片尺寸封裝(WLCSP)
201‧‧‧晶粒基板
202‧‧‧電路板
203‧‧‧封裝感測器
204‧‧‧感測器蓋子
205‧‧‧封料層
206‧‧‧孔罩
207‧‧‧直通矽晶穿孔
208‧‧‧錫球電接點(凸塊)
209‧‧‧感測器孔
300‧‧‧WLCSP感測器封裝
305‧‧‧封料層
309‧‧‧感測器孔
400‧‧‧晶圓級晶片尺寸封裝(WLCSP)
401‧‧‧封裝感測器
402‧‧‧直通矽晶穿孔
403‧‧‧錫球電接點(凸塊)
圖1顯示根據先前技術的典型WLCSP10 的底部立體視圖。
圖2顯示晶圓級晶片尺寸封裝(WLCSP)感測器封裝的第一個實施例。
圖3顯示WLCSP感測器封裝的第二個實施例。
圖4顯示WLCSP感測器封裝的第三個實施例。
200．．．晶圓級晶片尺寸封裝(WLCSP)
201．．．晶粒基板
202．．．電路板
203．．．封裝感測器
204．．．感測器蓋子
205．．．封料層
206．．．孔罩
207．．．直通矽晶穿孔
208．．．錫球電接點(凸塊)
209．．．感測器孔

Claims (22)

  1. 一種電子封裝，包括：一晶圓級晶片尺寸封裝(WLCSP)之晶粒，其包含電子電路和具有一頂面和一底面；複數個直通矽晶穿孔，其穿過該晶粒將該電子電路電連接到該晶粒的該底面；一封裝感測器，其連接到該晶粒來感測一環境參數；一感測器蓋子實質小於該晶粒覆蓋及包圍該封裝感測器，以及具有能讓該環境參數穿透的一上蓋面；成形材料之一保護之材料層流動成形於該晶粒之該頂面及該感測器蓋子上；以及一感測器孔，其穿過該保護之材料層在該感測器蓋子上來讓該封裝感測器獲取該環境參數。
  2. 如請求項1所述之電子封裝，其中，該上蓋面包括聚焦單元，其用於聚焦該環境參數給該封裝感測器使用。
  3. 如請求項1所述之電子封裝，其中，該封裝感測器被連接到該晶粒基板的該頂面，以及該感測器孔被包含在該保護之封料層內。
  4. 如請求項3所述之電子封裝，其中，該保護之封料層具有與該上蓋面齊平的一頂面。
  5. 如請求項3所述之電子封裝，其中，該上蓋面突出於該保護之封料層的一頂面之上。
  6. 如請求項3所述之電子封裝，其中，該保護之封料層具有高於該上蓋面的一頂面。
  7. 如請求項6所述之電子封裝，其中，該保護之封料層的厚度和孔的尺寸決定一感測範圍藉由該封裝感測器用於感測該環境參數。
  8. 如請求項1所述之電子封裝，其中，至少一個該直通矽晶穿孔在該感測器蓋子的下面，以及至少一個該直通矽晶穿孔不在該感測器蓋子的下面。
  9. 如請求項1所述之電子封裝，其中，該封裝感測器被連接到該晶粒基板的該底面，以及該感測器孔被包含在覆蓋該封裝感測器的一孔罩之內。
  10. 如請求項1所述之電子封裝，其中，該保護之封料層是不透明的。
  11. 如請求項1所述之電子封裝，其中，該封裝感測器是一紅外線感測器、一光學感測器、一壓力感測器和一音頻感測器其中一者。
  12. 一種電子封裝，其包括：一晶圓級晶片尺寸封裝(WLCSP)之晶粒，其包含電子電路含具有一頂面和一底面；複數個電路連接裝置，其穿過該晶粒將該電子電路電連接到該晶粒的該底面；感測裝置其連接到該晶粒來感測一環境參數；覆蓋裝置實質小於該晶粒覆蓋及包圍該等感測裝置，以及具有能讓該環境參數穿透的一上蓋面；成形材料之包封裝置流動成形於該晶粒之該頂面及該感測器蓋子上；以及 孔裝置其穿過包封裝置來讓該感測裝置獲取該環境參數。
  13. 如請求項12所述之電子封裝，其中，該上蓋面包括聚焦裝置，用於聚焦該環境參數給該感測裝置使用。
  14. 如請求項12所述之電子封裝，其中，該感測裝置被連接到該晶粒基板的該頂面，以及該孔裝置被包含在該包封裝置內。
  15. 如請求項14所述之電子封裝，其中，該上蓋面突出於該保護之封料層的一頂面之上。
  16. 如請求項14所述之電子封裝，其中，該包封裝置具有與該上蓋面齊平的一頂面。
  17. 如請求項14所述之電子封裝，其中，該包封裝置具有高於該上蓋面的一頂面。
  18. 如請求項17所述之電子封裝，其中，該包封裝置的厚度和孔裝置的尺寸決定一感測範圍藉由該感測裝置用於感測該環境變數。
  19. 如請求項12所述之電子封裝，其中，至少一個該電路連接裝置在該感測器蓋子的下面，以及至少一個該電路連接裝置不在該覆蓋裝置的下面。
  20. 如請求項12所述之電子封裝，其中，該感測裝置被連接到該晶粒基板的該底面，以及該孔裝置被包含在覆蓋該感測裝置的一孔罩之內。
  21. 如請求項12所述之電子封裝，其中，該包封裝置是不透明的。
  22. 如請求項12所述之電子封裝，其中，該感測裝置是一紅外 線感測裝置、一光學感測裝置、一壓力感測裝置和一音頻感測裝置其中一者。
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