專利名稱：在基底背面具有圖案層的電子封裝及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及半導體集成電路的電子封裝。更具體地，本發(fā)明涉及這樣一種光敏(photo-sensing)半導體器件的電子封裝，即，在其基底表面形成有圖案層以優(yōu)化性能。
背景技術(shù)：
在第10/692,816、60/507,100、10/829,273、以及60/536,536號懸而未決的美國專利中公開了應用于光敏器件的電子封裝新技術(shù)，這些申請公開的內(nèi)容通過引用并入本文。圖1-2B是舉例說明用這些技術(shù)實現(xiàn)的電子封裝的實施例的截面圖，對它們更為完整的描述都包括在上述申請中。
圖1中示出的封裝典型地適合于常規(guī)應用。而圖2A和2B中的封裝特別適合于移動電話中的照相模塊，在這種應用中，緊湊的尺寸總是需要考慮的重要問題。
在給出的封裝中，光敏器件限定出特定的感光區(qū)域，該區(qū)域在圖中所示的結(jié)構(gòu)中，位于頂部表面的中央部分。該光敏器件設置有能夠充分透過某些所感興趣波長范圍內(nèi)的光的基底。該基底例如可以由玻璃材料形成，這樣光敏器件可感應波長在可見范圍內(nèi)的光。電氣互連線和一個或多個鈍化層在基底的正面上方形成(圖中所示的結(jié)構(gòu)中的基底的底面)，并且，在光敏器件和基底之間典型地采用了倒裝連結(jié)方式。為了保護光敏器件的側(cè)壁部分以及它所延伸出的感光區(qū)域，還提供了一種密封結(jié)構(gòu)。在使用現(xiàn)有技術(shù)中公知的合適方法形成的最終封裝中，還可以設置其他適合結(jié)構(gòu)，例如焊球和去耦電容等。但是對它們的具體描述對于理解本發(fā)明并沒有必要，因此并沒有包括這些內(nèi)容。
在圖1、和2A，2B所舉例說明的電子封裝構(gòu)造中，光敏管芯的感光區(qū)域與基底的正面相對，其形成了圖中所示的基底的背面。這樣一來，對應于光敏管芯感光區(qū)域的基底正面不具有任何互連金屬線路或者鈍化層，以不會阻擋或干擾通過基底上該區(qū)域進入感光區(qū)域的光線。
然而，光線仍可能通過一些不希望的途徑進入感光區(qū)域。在基底正面位于感光區(qū)域之外的部分形成例如圖案金屬層結(jié)構(gòu)。給定基底的透射率和圖案金屬層或其他結(jié)構(gòu)的反射率，則在上述之外部分處進入基底的光線仍然會通過反射路徑進入感光區(qū)域。即使上述之外部分具有非金屬結(jié)構(gòu)，例如鈍化層，但是它們良好的光傳輸特性也會使得一些光線通過它們傳給光敏管芯，或者附近的其它表面，從而造成不良的影響。
光線通過這些非預期的外圍路徑進入會通過幾種顯著的方式對正常的操作造成潛在的危害。例如，圖案金屬層的邊沿會以一種不規(guī)則的方式反射碰撞光線。相對應的是，產(chǎn)生不規(guī)則并且非常復雜的光線傳輸和反射。因此，感光區(qū)域所感應的光線中會引入不必要的干擾。因此，為了最大程度的減小甚至完全消除這種干擾，需要對各種類型的光敏器件封裝提供適當?shù)谋Ｗo措施。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的一個目的是防止不需要的光被反射到給定封裝內(nèi)的光敏元器件的感光區(qū)域。
按照本發(fā)明形成的光敏元器件的封裝能夠解決上述問題以及其它問題。
技術(shù)方案所述封裝包括基底，與所述基底耦合的至少一個光敏半導體管芯，以及在基底的表面上形成的圖案層?；资怯煽梢曰就高^預定波長范圍的光的材料制成，并在其相對的側(cè)具有正面和背面。光敏半導體管芯限定了與基底正面相對的至少一個感光區(qū)域，用于接收與所述背面碰撞并從其穿過的光。圖案層在所述背面形成用于阻擋至少一部分與所述背面碰撞的光。圖案層被形成為限定出窗口，該窗口對準了感光區(qū)域的至少一部分，由此可以通過基底進行光通信。
依據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施方案，窗口的外形是矩形，并位于所述感光區(qū)域之內(nèi)的周邊范圍。
此外，依據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的實施方案，光敏半導體管芯上形成有多個焊盤。該實施方案中的基底是由一種能夠充分透過預定波長范圍的光的材料制成，所述光能夠由光敏元器件探測。基底上形成了至少一個圖案金屬層，用于形成多個金屬互連線。同時，該基底上形成了至少一個圖案鈍化層，以保護金屬線的相互連接。因此，鈍化層包括多個孔以限定基底側(cè)接合焊盤。這些焊盤優(yōu)選包括至少一組可以與光敏元器件管芯形成相互連接的焊盤，至少一組可以與外部系統(tǒng)形成相互連接的焊盤，以及可以和其他部件形成連接的焊盤，如果預計的應用需要的話。
在本發(fā)明另一個優(yōu)選的實施方案中，電子封裝包括光敏元器件和基底之間的倒裝連接。
根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施方案的電子封裝結(jié)構(gòu)可以進一步包括密封結(jié)構(gòu)，用于在光敏器件感光區(qū)域附近填充光敏器件與基底之間的間隙。
有益效果如上所述，因為圖案層是在基底背面上形成，用于阻塞與基底的背面碰撞的至少一部分光的通路。同時，圖案層限定出窗口，該窗口與感光區(qū)域的至少一部分對準，由此可以通過基底進行光通信。本發(fā)明的封裝能夠防止不需要的光被反射到給定封裝內(nèi)的光敏元器件的感光區(qū)域。


圖1示意性地示出了根據(jù)未決的第10/692,816號專利中的實施方案形成的光敏電子封裝的截面圖；圖2A示意性地示出了根據(jù)未決的第10/892,273號專利中的實施方案形成的光敏電子封裝的截面圖；圖2B是圖2A中的光敏器件電子封裝實施方案的仰視圖；圖3A是圖1中示出的光敏器件電子封裝實施方案的示意性的剖面圖，在圖中示出的封裝中形成有根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的背面圖案層；圖3B是圖3A中示出的光敏器件電子封裝實施方案的示意性俯視圖；以及圖4是圖2A和2B中示出的光敏器件電子封裝實施方案的示意性剖面圖，在圖4中所示的封裝中形成有根據(jù)本發(fā)明的實施方案的背面圖案層。
優(yōu)選實施方式圖3A-4示意性地顯示了示例的封裝10和20。封裝10和20中的每一個都具有在其中形成有根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的圖案層130。為了清楚和簡潔，圖中相同的部件用相同的標號表示。
在形成各個所示出的封裝10，20時，為光敏半導體晶片典型地配備多個管芯，各個管芯具有在晶片的正面形成的集成電路，并具有多個焊盤(pad)。晶片在其正面上方形成了圖案鈍化層，用于保護位于其下面的集成電路。鈍化層對應焊盤的位置配備有開口。由此所得到的多個光敏管芯中的每一個均在其正面或光接收表面限定出至少一個感光區(qū)域。
晶片凸點形成(wafer bumping)是一項眾所周知的技術(shù)，自從其問世以來已經(jīng)被廣泛應用，例如轉(zhuǎn)讓給IBM公司的、題目為“制造超小型功能元器件方法”的第No.3,292,240美國專利所公開的那樣。典型的晶片凸點形成處理包括形成至少一個圖案金屬層，用于使倒裝凸點焊盤與晶片上的焊盤相連。倒裝凸點焊盤所使用的合金技術(shù)通常被稱為凸點下合金(UBM)，并典型地利用多層結(jié)構(gòu)以提供多個功能，例如對焊盤的良好的附著力，抵抗凸點材料的良好擴散勢壘區(qū)等等。
現(xiàn)有技術(shù)中有很多凸點材料。包括金、鎳、銅、以及焊接合金等，這些焊接合金主要是基于錫的合金。
現(xiàn)有技術(shù)中的沉積UBM的技術(shù)有很多種。這些技術(shù)包括陰極濺鍍、電鍍、無電電鍍等等。同樣現(xiàn)有技術(shù)中也有很多種形成凸點的方法。在形成金或是銅凸點時經(jīng)常會采用電鍍技術(shù)，而無電電鍍技術(shù)通常用于形成鎳或銅凸點。在形成焊接合金凸點時，通常會使用電鍍技術(shù)或印刷技術(shù)。
根據(jù)本發(fā)明，光敏半導體晶片優(yōu)選地(但不是必需地)包含在焊盤上方形成的UBM焊盤，這取決于實際應用中所使用的具體倒裝凸點形成工藝和安裝工藝。換句話說，如果需要的話，本發(fā)明中的光敏半導體晶片可進一步包含在UBM焊盤上方形成的倒裝凸點。
基底通常是分離制造的。起初，優(yōu)選地將以具有大面積的晶片或板的形式設置基底，以便于在批量生產(chǎn)過程中形成大量的基底單元，這種方式如同半導體晶片在制造過程中形成了多個管芯一樣。通常，基底材料最好能夠達到預定應用所需要的足夠的透過度、機械硬度、以及化學穩(wěn)定性。
在示出的光敏應用中，基底材料基本對特定波長或特定波長范圍的光具有基本透過性，從而將碰撞在基底背面上的光傳輸?shù)桨仓迷诨渍婊蚱湔娓浇墓饷羝骷?。適當?shù)幕撞牧蟽?yōu)選包括，但不僅僅限于，玻璃、石英、藍寶石、硅以及其他材料，對于特定基底材料的實際選擇取決于預定應用所需要的波長范圍。示范性的應用要求光敏器件工作在例如X光、紫外線、可見光或是紅外線的波段內(nèi)。
基底材料不僅必須有足夠的化學穩(wěn)定性和機械強度以經(jīng)受住在必要的制造過程中所達到的溫度和加工的極限，而且需要對預期的環(huán)境因素有足夠的抵抗力，從而可以使制成的元件在預期的使用期限內(nèi)正常工作。工作在可見光波長范圍內(nèi)的光敏器件的基底材料優(yōu)選為，在本領(lǐng)域中公知為適于光學應用的任何合適的玻璃材料。這種玻璃材料趨向于具有足夠的化學和溫度穩(wěn)定性，其成本也不高，并且原材料來源很廣泛。
為了增強光在基底中的傳輸，在基底的一個或更多的表面可以涂上至少一層薄膜層，這取決于預期應用的需要。這種涂層可以是精通光學技術(shù)的人們所稱作的所謂的防反射涂層(ARC)類型，并用來使所感興趣的所有光譜的光的反射損失降低到最小。同樣，為了增強或減少特定波長范圍的光在其中的傳輸，在基底的一個或多個表面涂上至少一層薄膜層。這些鍍層是光學技術(shù)中公知的“光過濾”類型。一個例子是，以與在移動電話的照相機模塊的芯片板(COB)上應用紅外線(IR)截除過濾器玻璃的相同方式，使用IR截除過濾器。
在基底100的正面105上形成有至少一個圖案金屬層110，用于制造電氣互連線。在圖案金屬層110上形成有至少一個圖案鈍化層120，以保護所限定的互連線。圖案鈍化層120形成有多個開口，用于在基底側(cè)制造焊盤。這些焊盤使基底100的連接線與光敏器件200、外部系統(tǒng)、以及其它元件(如果有的話)等之間可以進行電氣連接。
根據(jù)本發(fā)明，如果焊盤本身不能完全適合制造倒裝焊凸點，則基底可優(yōu)選(但不是必需)進一步包含在焊盤之上形成的UBM焊盤。焊盤是否能夠完全適合，主要取決于特定的焊盤材料以及所采用的倒裝焊技術(shù)。此外，根據(jù)本發(fā)明，基底可以(盡管這不是必需的)進一步包括在UBM焊盤上方形成的倒裝凸點。
如圖3A和4中的各個實施方案所示，優(yōu)選采用本領(lǐng)域中公知的適合的倒裝組裝處理，在基底單元100安裝至少一個光敏器件管芯。適合的倒裝裝配處理具有很多種，這取決于所使用的凸點材料。根據(jù)最廣泛應用的一個倒裝裝配處理，使用焊料凸點形成倒裝芯片的接頭。通過該處理，具有焊料凸點的管芯被設置在具有相應焊料凸點焊盤的基底上，然后應用助熔劑，將其加熱至該焊料材料的熔點溫度。
其他已知的工藝包括用于將金凸點接合到任何適合的焊盤的熱超聲波焊接或熱收縮焊接。在例如將金、鎳、或銅凸點與任何合適的凸點或焊盤接合時，熱收縮焊接工藝還可以與各向同性的導電膠(ICA)、各向異性的導電膠(ACA)、或各向異性的導電薄膜(ACF)一起使用。
根據(jù)本發(fā)明的電子封裝10、20并不僅僅限于任何特定的倒裝凸點材料或任何倒裝裝配處理。對于這些材料和處理的特定選擇取決于要應用的特殊需求。
根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施方案的電子封裝包括密封結(jié)構(gòu)140，用以填充光敏半導體管芯200和基底100之間的間隙，以在光敏半導體管芯200的感光區(qū)域150處限定出封閉的空腔。
根據(jù)本發(fā)明，封裝10、20進一步包括在基底100的背面或是光碰撞面上形成的圖案層130。圖案層130形成窗口開孔132，開孔132與感光區(qū)域150的至少一部分150’對準，從而使得圖案層130有效的框住(frame)部分150’(如圖3B所示)，以最小化例如由于雜散光的進入所造成的光學干擾。
對背面圖案層130的最重要的要求是其對特定波長的光的吸收能力。例如，在可見光的范圍，具有黑色或是其它對于所感興趣的波長的光基本不透明顏色的聚合體或是環(huán)氧材料均可用作圖案層130。
背面?zhèn)葓D案層130可以采用任何已知技術(shù)上的適合的方法形成。對液體密封材料(liquid encapsulant)或是聚合物材料進行孔版(stencil)或絲網(wǎng)印刷是最簡單的、適于在涂層130上形成圖案的方法之一。其他適合的方法包括將液體密封材料針分涂到基底的表面。應用的液體密封材料適合的粘度范圍優(yōu)選大約為3,000-80,000厘米·克·秒(centipoise)。涂層130的厚度部分由材料的粘度和加工的方法所決定的，但是優(yōu)選的厚度范圍大約為4-100微米。無論采用何種材料或應用何種方法，采用適當?shù)姆椒A防形成圖案層的處理對布置在感光區(qū)域150之上的基底部分(開口132內(nèi)的內(nèi)區(qū)域)的污染是很重要的。
另一種形成圖案背面層130的方法是旋涂和圖案形成法。市場上提供了多種可用于旋涂的聚合物材料?，F(xiàn)有的材料分為光可定義的和不可光定義的兩種類型，而技術(shù)上更普遍應用的是光可定義的類型。這些材料的應用大部分情況下是采用絕緣體夾層或是緩沖涂層技術(shù)。典型的材料的粘度范圍大約為1000-4000厘米·克·秒。
對在可見波長范圍的光，由于這些材料至少是部分透明的，所以有必要在聚合物材料中添加黑色或是其它足夠不透明的著色劑，以實現(xiàn)對于可見波長范圍內(nèi)的光的不透光性。在旋涂和圖案形成方法中，根據(jù)材料的粘度，涂層厚度的范圍大約為4-20微米。與絲網(wǎng)印刷或是針分涂法相比，旋涂和圖案形成法的一個優(yōu)勢是更大的薄膜均勻性，和更小的在感光區(qū)域150污染基底的可能性。
根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的實施方案，在光可定義的聚合物材料的基底100上，使用旋涂法和形成圖案的正在開發(fā)的技術(shù)形成的背面圖案層130的厚度范圍為約4-20微米之內(nèi)。圖案層130的材料優(yōu)選用能夠?qū)μ囟úㄩL的光充分吸收的材料。
工業(yè)適用性根據(jù)本發(fā)明形成的獨特封裝適用于各種根據(jù)現(xiàn)有工藝技術(shù)制造出的光敏器件和光探測器，如CCD或者CMOS。本發(fā)明適用于各種使用圖像傳感器的領(lǐng)域，如便攜式攝像機，數(shù)碼相機，電腦攝像頭，手機攝像頭，PDA，手持攝影機，監(jiān)控攝像機，玩具，車載設備，生物測定，和其他類似的設備。本發(fā)明還適用于線性陣列圖像傳感器，如傳真機，掃描儀，條形碼讀碼器和掃描器，數(shù)碼復印機，和類似設備。同樣本分明還適用于封裝非圖像類光敏傳感器，如單二極管、四象限二極管等在運動檢測中的應用，光級傳感器，定位和跟蹤系統(tǒng)以及其他類似的應用。另外，本發(fā)明還適用于需要只在預定區(qū)域密封的通用電子封裝。
雖然對本發(fā)明的描述是結(jié)合具體的實現(xiàn)形式和具體實施方式
進行的，但應該理解，能夠在不背離本發(fā)明的精神和范疇下，對描述形式進行各種改造。例如，可以用同等的部件替代特定的外觀和描述，某些特性可以獨自應用而不依靠其他特性；在一定情況下，制造過程中特定的制造組合或裝配步驟，可以被顛倒或插入其他步驟，這些改造都不違反所附的權(quán)利要求所定義的本發(fā)明的精神和范疇。
權(quán)利要求
1.一種光敏器件封裝，包括(a).基底，由對預定波長范圍內(nèi)的光基本透明的材料形成，并在其相對的側(cè)具有正面和背面；(b).至少一個光敏半導體管芯，與所述基底耦合，并限定與所述基底的正面相對的至少一個感光區(qū)域，用于接收與所述背面碰撞并從其穿過的光；(c).圖案層，在所述背面形成用于阻擋至少一部分與所述背面碰撞的光，所述圖案層限定出與所述感光區(qū)域的至少一部分對準的窗口，用來通過所述基底進行光通信。
2.如權(quán)利要求1所述的光敏器件封裝，其中，所述窗口的形狀是矩形的，并位于所述感光區(qū)域之內(nèi)的周邊范圍。
3.如權(quán)利要求1所述的光敏器件封裝，其中，所述圖案層由能夠吸收所述預定波長范圍內(nèi)的光的材料制成。
4.如權(quán)利要求3所述的光敏器件封裝，其中，形成所述圖案層的材料包括液態(tài)密封材料、環(huán)氧化物或聚合材料。
5.如權(quán)利要求4所述的光敏器件封裝，其中，所述圖案層由包括著色劑的材料構(gòu)成，所述著色劑對于所述預定波長范圍內(nèi)的光基本不透明。
6.如權(quán)利要求4所述的光敏器件封裝，其中，所述圖案層由厚度基本約為4-100微米的材料構(gòu)成。
7.如權(quán)利要求4所述的光敏器件封裝，其中，在所述基底的所述背面形成的所述圖案層的類型從以下組合種選擇孔版印刷層、絲網(wǎng)印刷層、針分涂層，旋涂和圖案層、以及旋涂和光顯影層。
8.如權(quán)利要求7所述的光敏器件封裝，其中，所述預定波長范圍包括可見光的波長范圍。
9.如權(quán)利要求3所述的光敏器件封裝，其中，所述光敏半導體管芯與所述基底的所述背面隔有間隙。
10.如權(quán)利要求9所述的光敏器件封裝，還包括密封結(jié)構(gòu)，所述密封結(jié)構(gòu)位于所述光敏半導體管芯和所述基底之間，以繞所述間隙延伸并將其包圍，從而在所述感光區(qū)域和所述基底正面的一部分之間限定出密封腔體。
11.一種光敏器件封裝，包括(a).基底，由對預定波長范圍內(nèi)的光基本透明的材料形成，并在其相對的側(cè)具有正面和背面，所述正面具有內(nèi)區(qū)域和在其附近延伸的外區(qū)域，在所述外區(qū)域形成所述基底的互連線和鈍化層；(b).至少一個光敏半導體管芯，與所述基底正面的所述外區(qū)域耦合，并限定與所述基底正面的所述內(nèi)區(qū)域相對的至少一個感光區(qū)域，用于接收與所述背面碰撞并從其穿過的光；以及(c).圖案層，在所述基底的所述背面形成用于阻擋至少一部分與所述背面碰撞的光，所述圖案層形成與所述感光區(qū)域的至少一部分對準的窗口，用來通過所述基底進行光通信，從而使得所述感光區(qū)域的至少一部分基本被框住以最小化光學干擾。
12.如權(quán)利要求11所述的光敏器件封裝，所述的窗口形狀是矩形的，并位于所述感光區(qū)域之內(nèi)的周邊范圍。
13.如權(quán)利要求12所述的光敏器件封裝，其中，所述圖案層從以下材料的組合種選擇的材料形成液態(tài)密封材料、環(huán)氧化物，和聚合材料。
14.如權(quán)利要求13所述的光敏器件封裝，其中，所述圖案層由厚度基本約為4-100微米的材料構(gòu)成。
15.如權(quán)利要求4所述的光敏器件封裝，其中，在所述基底的所述背面形成的所述圖案層的類型從以下組合種選擇孔版印刷層、絲網(wǎng)印刷層、針分涂層，旋涂和圖案層、以及旋涂和光顯影層。
16.如權(quán)利要求15所述的光敏器件封裝，其中，所述圖案層由包括基本不透明的著色劑的材料構(gòu)成。
17.如權(quán)利要求16所述的光敏器件封裝，其中，所述基底由對可見光波長范圍內(nèi)的光基本透明的玻璃材料形成。
18.一種光敏器件封裝，包括(a).基底，由對預定波長范圍內(nèi)的光基本透明的材料形成，并在其相對的側(cè)具有正面和背面，所述正面具有內(nèi)區(qū)域和在其附近延伸的外區(qū)域，在所述外區(qū)域形成所述基底的互連線和鈍化層；(b).至少一個光敏半導體管芯，通過倒裝互連與所述基底正面的所述外區(qū)域耦合，并限定與所述基底正面的所述內(nèi)區(qū)域相對的至少一個感光區(qū)域，用于接收與所述背面碰撞并從其穿過的光，所述光敏區(qū)域與所述內(nèi)區(qū)域隔有間隙；(c).密封結(jié)構(gòu)，所述密封結(jié)構(gòu)位于所述光敏半導體管芯和所述基底之間，以繞所述間隙延伸并將其包圍，從而在所述感光區(qū)域和所述基底正面的一部分之間限定出密封腔體；以及(d).圖案層，在所述基底的所述背面形成用于吸收至少一部分與所述背面碰撞的光，所述圖案層形成窗口，以框住所述正面的所述內(nèi)區(qū)域的一部分，所述窗口與所述感光區(qū)域的至少一部分對準，用來通過所述基底進行光通信。
19.如權(quán)利要求18所述的光敏器件封裝，其中，在所述基底的所述背面上形成的所述圖案層是旋涂和光顯影類型的，所述圖案層由包括基本不透明的著色劑的、可噴涂和光可定義的聚合材料形成。
20.如權(quán)利要求19所述的光敏器件封裝，其中，所述圖案層由厚度基本約為4-100微米的材料構(gòu)成。
全文摘要
公開了一種光敏器件封裝。該封裝包括基底、與基底耦合的至少一個光敏半導體管芯、以及在基底的光接收表面形成的圖案層?；资怯蓪︻A定波長范圍的光基本透明的材料制成。半導體管芯限定出至少一個與基底正面相對的感光區(qū)域，從而能夠接收與基底的背面碰撞的光。圖案層形成于基底的背面上，阻塞了至少一部分與背面碰撞的光的通路。圖案層形成有窗口，該窗口與感光區(qū)域的至少一部分對準，用于通過基底進行光通信。
文檔編號H01L27/146GK1950943SQ200580014500
公開日2007年4月18日 申請日期2005年5月3日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月6日
發(fā)明者金德勛 申請人:阿帕托佩克股份有限公司