專利名稱：圖像傳感器圓片級封裝方法及其結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種圖像傳感器的硅通孔(TSV)圓片級封裝工藝。屬于圖像傳感器封裝制造領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
一般而言，圖像傳感器是一種半導(dǎo)體模塊，是用以將一光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成電子信號，并且存儲圖像信號和將其傳輸至一顯示裝置。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，圖像傳感模塊越來越廣泛地應(yīng)用到了數(shù)字移動產(chǎn)品中，尤其是蜂窩手機(jī)，其市場也保持增長了多年。然而，隨著半導(dǎo)體行業(yè)微型化、多功能的趨勢和市場上的持續(xù)競爭，新一代的移動產(chǎn)品對圖像傳感模塊有著更高的要求，例如小外形和低成本。傳統(tǒng)的圖像傳感模塊封裝，例如板上芯片技術(shù)(Chip On Board, COB)和覆晶柔性電路板技術(shù)(Chip On Flexible，C0F)，由于封裝方法的限制很難滿足這些要求。圓片級封裝技術(shù)(WaferLevel Packaging, WLP)為滿足這種要求提供了很好的解決途徑。WLP技術(shù)是指在芯片未被切割的情況下在晶片級完成整個封裝工序，如塑封、引線焊接和封裝測試等，切割后得到封裝好的最終產(chǎn)品，被認(rèn)為是下一代的芯片尺寸封裝技術(shù)(ChipSize Packaging, CSP)。應(yīng)用到圖像傳感器封裝領(lǐng)域,WLP技術(shù)具有小尺寸、高性能和低成本的優(yōu)勢。在該技術(shù)中，為了從圖像傳`感器正面的焊盤引到背面實(shí)現(xiàn)電連接，幾種結(jié)構(gòu)被開發(fā)了出來，如T型連接和TSV (Through silicon Via)。圖1是顯不Tessera制造該圖像傳感器封裝的WLCSP(Wafer Level Chip SizePackaging)截面構(gòu)造圖。參考圖1，經(jīng)由一預(yù)訂的制程，在晶片101的正面上形成多個圖像傳感器組件例如圖像傳感單元102和一焊盤電極103。將該晶片以樹脂105粘合到透明基板104上?？涛g晶片101形成凹槽106，隨后灌膠、在背面鍵合基板114，從背面開槽、后沉積金屬連線、形成T型連接109，并制作外部電極110。最后沿切割線115處切割該晶片，得到多個封裝好的芯片。此后，透過一預(yù)設(shè)的制程，便可組成一圖像裝置模塊，例如攝像機(jī)。然而，上述圓片級封裝后的結(jié)構(gòu)后續(xù)經(jīng)過切割步驟分成多個封裝集成電路元件后，T型連接的一段暴露在外界，易受濕氣穿透，從而遭受到腐蝕及剝離等可靠性問題發(fā)生。因此，這種形式的封裝往往無法通過高溫/高濕度測試等可靠性測試而失效。同時，在上述的制造方法中，由于該T-型連接109的連接面積很小，很可能發(fā)生龜裂，同樣易造成連接接頭的可靠性問題。WLP的另一種實(shí)現(xiàn)方式是TSV技術(shù)。由于采用垂直互連，TSV技術(shù)可以大幅度地縮短電互連長度，從而減小了信號延遲，提高了電性能。同時，TSV技術(shù)可以輕易地實(shí)現(xiàn)三維堆疊封裝，因此被作為高性能三維高密度封裝的主要技術(shù)手段。由于可以實(shí)現(xiàn)正面電極的背面引出，且具有高密度、小體積的特點(diǎn)，近年來被應(yīng)用到了圖像傳感器的封裝領(lǐng)域。目前加工硅通孔互連結(jié)構(gòu)的主要工藝方法為:利用Bosch反應(yīng)離子刻蝕-感應(yīng)耦合等離子體方法在晶圓表面刻蝕盲孔；用化學(xué)氣相沉積氧化物或氮化物鈍化在硅表面形成絕緣層；金屬化硅通孔，采用銅電鍍的方法填充硅通孔，用化學(xué)機(jī)械拋光移除多余的銅電鍍層；背面磨削晶圓，暴露出銅導(dǎo)體層，完成通孔結(jié)構(gòu)。然而，如上所述，這種技術(shù)使用了諸如RIE、CVD和CMP等工藝，使得成本高昂，因而只使用在高端產(chǎn)品，不適合低端產(chǎn)品應(yīng)用。同時，基板與銅結(jié)構(gòu)之間只有一層很薄的絕緣層，使得TSV互連形成了很高的電容，有時甚至超過了標(biāo)準(zhǔn)引線互連方式的電容值。工藝中使用了等離子干法刻蝕的方法，整個器件暴露在離子的轟擊之下，容易造成器件的失效，尤其是對離子轟擊敏感的器件，如GaAs圖像傳感器。鑒于此，有必要提供一種圖像傳感器圓片級封裝方法及其結(jié)構(gòu)以解決上述問題。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種圖像傳感器圓片級封裝方法及其結(jié)構(gòu)，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中T型連接可靠性差、常規(guī)TSV方法成本高、電容值大以及對器件的輻照損傷的問題。本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是提供一種圖像傳感器圓片級封裝方法，該方法包括以下步驟:I)提供一包含若干芯片的圖像傳感器晶片，與一透明基板鍵合；所述芯片包括形成于其正面的圖像傳感單元以及分布于圖像傳感單元周圍的若干焊盤電極；2)之后對圖像傳感器晶片進(jìn)行背減??；3)之后在圖像傳感器晶片背部、與所述焊盤電極對應(yīng)的位置打孔，形成若干橫截面為倒梯形的第一通孔，孔深為穿透背減薄之后的整個圖像傳感器晶片；4)在步驟3)之后獲得的結(jié)構(gòu)上噴涂絕緣層并固化；

5)在第一通孔內(nèi)的絕緣層上繼續(xù)形成橫截面為倒梯形的第二通孔至暴露出所述焊盤電極；所述第一通孔與第二通孔同軸；6)接著依次濺射金屬種子層、電鍍形成金屬互聯(lián)層；7)接著依次制備第二鈍化層和焊料凸點(diǎn)。優(yōu)選地，所述圖像傳感器晶片的材料為砷化鎵GaAs。優(yōu)選地，步驟I)中圖像傳感器晶片與一透明基板使用BCB作為粘結(jié)劑鍵合。優(yōu)選地，步驟I)中的透明基板為玻璃基板。優(yōu)選地，步驟2)中對圖像傳感器晶片進(jìn)行背減薄包括先使用機(jī)械研磨減薄，接著采用化學(xué)機(jī)械拋光減薄的步驟。優(yōu)選地，所述絕緣層的材料為環(huán)氧樹脂。優(yōu)選地，所述步驟6)中濺射金屬種子層包括依次濺射黏附層和種子層的步驟。優(yōu)選地，所述步驟7)中制備鈍化層利用旋涂環(huán)氧樹脂的方法制作。優(yōu)選地，所述步驟7)中焊料凸點(diǎn)包括以下步驟:首先在制備好第二鈍化層后獲得的結(jié)構(gòu)上旋涂一層光刻膠，光刻；使用反應(yīng)離子刻蝕對第二鈍化層進(jìn)行開口，刻蝕完成后使用丙酮去膠，濺射金屬薄膜作為焊料凸點(diǎn)的UBM層；使用電鍍法在UBM層上制備焊料凸點(diǎn)。優(yōu)選地，所述第一通孔的間距為150um。本發(fā)明還提供一種上述的方法制備的圖像傳感器圓片級封裝結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的實(shí)際效果是在制作的硅通孔結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了圖像傳感器的圓片級封裝，該圖像傳感器封裝模塊具有較小的體積和較高的封裝可靠性。激光在環(huán)氧樹脂上制作的通孔結(jié)構(gòu)具有較小的電容值和較小的信號延遲，同時實(shí)現(xiàn)了較高的互連密度。整個制作工藝對器件無輻照損傷，且與IC工藝過程兼容，具有低成本優(yōu)勢。


圖1是顯示現(xiàn)有技術(shù)中圖像傳感器的WLCSP封裝結(jié)構(gòu)的截面構(gòu)造圖。圖2至圖11顯示的是本發(fā)明圖像 傳感器封裝工序截面示意圖，其是本發(fā)明的一較佳實(shí)施例。元件標(biāo)號說明圖像傳感器晶片I圖像傳感單元2第一鈍化層3焊盤電極4透明基板5BCB 粘結(jié)劑6第一通孔7絕緣層8第二通孔9金屬互聯(lián)層10去除種子層之后的金屬互聯(lián)層11第二鈍化層12焊料凸點(diǎn)13晶片101圖像傳感單元102電極焊盤103透明基板104樹脂105凹槽106T 型連接109外部電極110金屬連線111背面基板114切割線11具體實(shí)施例方式以下通過特定的具體實(shí)例說明本發(fā)明的實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)與功效。本發(fā)明還可以通過另外不同的具體實(shí)施方式
加以實(shí)施或應(yīng)用，本說明書中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)也可以基于不同觀點(diǎn)與應(yīng)用，在沒有背離本發(fā)明的精神下進(jìn)行各種修飾或改變。
請參閱圖2至圖11。需要說明的是，本實(shí)施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發(fā)明的基本構(gòu)想，遂圖式中僅顯示與本發(fā)明中有關(guān)的組件而非按照實(shí)際實(shí)施時的組件數(shù)目、形狀及尺寸繪制，其實(shí)際實(shí)施時各組件的型態(tài)、數(shù)量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態(tài)也可能更為復(fù)雜。本發(fā)明的具體工藝步驟為:A.晶片鍵合與背減薄(a)在圖像傳感晶片的正面制作焊盤電極，焊盤電極分部在傳感單元周邊，晶片材料為砷化鎵(GaAs)晶片；(b)在圖像傳感晶片的正面與一片透明基板鍵合，使用BCB (苯并環(huán)丁烯)作為粘結(jié)劑；(C)依次使用機(jī)械研磨和化學(xué)機(jī)械拋光對圖像傳感晶片的背面減薄。B.在步驟A之后獲得的結(jié)構(gòu)上制作通孔(a)使用激光器在晶片的背面第一次打孔，形成若干橫截面為倒梯形的第一通孔；(b)在晶片背部及第一通孔內(nèi)噴涂環(huán)氧樹脂，然后固化形成絕緣層；(C)在第一通孔內(nèi)的絕緣層上第二次打孔，形成若干橫截面為倒梯形的第二通孔；適當(dāng)將焊盤電極打穿。 C.通孔內(nèi)互連(a)濺射TiW/Au層，其中TiW作為黏附層，Au為種子層；(b)在晶片背部噴涂光刻膠，光刻；(C)Au互連層電鍍；(d)去除光刻膠和金屬種子層。D.鈍化與凸點(diǎn)制作(a)在步驟C完成的基礎(chǔ)上，在圓片背面旋涂上一層環(huán)氧樹脂，作為第二鈍化層；(b)旋涂光刻膠，隨后光刻制作掩膜。使用等離子刻蝕的方法在環(huán)氧樹脂上開口，使露出電極；灘射Ti/Pt/Au制作UBM，隨后去除掩膜；(C)使用電鍍法在電極上制備焊料凸點(diǎn)。具體的，請參考圖2所示。圖像傳感器晶片I包含數(shù)個芯片，經(jīng)過預(yù)設(shè)的制程，在每個芯片正面形成有圖像傳感組件，所述圖像傳感組件包括圖像傳感單元2、位于圖像傳感單元上的第一鈍化層3以及位于第一鈍化層之上、分布于圖像傳感單元2周圍的若干焊盤電極4。所述焊盤電極4分布在圖像傳感單元周邊非功能區(qū)，選用的材料可以是鋁、金和銅。圖像傳感器的使用波段為可見光范圍，晶片標(biāo)準(zhǔn)厚度為350um。晶片材料選為神化嫁GaAs。其后，參考圖3所示，將晶片I的正面鍵合到一透明基板5 (例如玻璃基板)上。該透明基板5起到透光、防止外界污染和免遭機(jī)械損傷的作用。同時也為隨后的工藝提供機(jī)械支撐。鍵合時采用BCB (苯并環(huán)丁烯)材料作為粘結(jié)劑鍵合，粘結(jié)劑6涂敷在晶片I與基板5之間，厚度優(yōu)選為3um，在鍵合機(jī)中鍵合，并采用熱固化，固化溫度選為200°C。參考圖4所示，砷化鎵圖像傳感器晶片減薄工藝，在本實(shí)施例中，先采用機(jī)械研磨設(shè)備快速減薄，然后再采用化學(xué)機(jī)械拋光處理，使表面平整，減薄厚度可以至150um。然后，參考圖5所示，使用冷光波段的紫外激光器在砷化鎵圖像傳感器晶片背部打孔，形成若干個橫截面為倒梯形、孔深為150um的第一通孔7。所述紫外激光器的激光波長為355nm，打孔的區(qū)域選定為圖像傳感單元周邊非功能區(qū)(即無象元區(qū))并且對應(yīng)于焊盤電極4上方。該第一通孔7穿透晶片1，孔開口端直徑約80um，末端孔徑約為50um。相鄰兩孔的間距為150um。其后，參考圖6所示，采用噴涂的方法在晶片背部及第一通孔7內(nèi)涂上一層環(huán)氧樹脂作為絕緣層8，厚度約為IOum左右，然后在溫度200°C左右固化，固化時間約為30min。參考圖7所示，使用紫外激光器在第一通孔7內(nèi)進(jìn)行第二次打孔，形成橫截面為倒梯形的第二通孔9，開口端孔徑為50um，末端孔徑為30um ;該第二通孔9適量打穿焊盤電極4，穿透深度選為l-3um，前后兩次打孔要保證同軸。(即第一通孔和第二通孔同軸)其次，參考圖8所示，在晶片上濺射一層金屬種子層10，其材質(zhì)選為TiW/Au，厚度為200/1000A。其中TiW作為黏附層，Au為種子層。之后，參考圖9所示，在金屬種子層10上噴涂一層光刻膠，厚度約為2um，對光刻膠進(jìn)行光刻，之后依次曝光、顯影以及堅(jiān)膜。在該金屬種子層10的基礎(chǔ)上進(jìn)行Au電鍍，制備金屬互連層11，電鍍厚度為2um。隨后去除光刻膠和金屬種子層10,得到金屬互連層11。然后，參考圖10所示，在完成上述步驟的基礎(chǔ)上，利用旋涂環(huán)氧樹脂的方法制作第二鈍化層12，厚度為15um，隨后加熱固化。最后，參考圖11所示，旋涂一層厚1.7um的光刻膠，隨后光刻制作掩膜，使用等離子刻蝕(RIE)等方法對環(huán)氧樹脂層制作第二鈍化層12進(jìn)行開口，使露出電極。開口尺寸為40X40um2，刻蝕完成后使用丙酮去膠，刻蝕氣體為SF6和C4F8 ;然后濺射Ti/Pt/Au (優(yōu)選為30nm/20nm/100nm)金屬薄膜作為焊料凸點(diǎn)13的UBM層。隨后去除掩膜。最后使用電鍍法在UBM層上制備焊料凸點(diǎn)13。由所述制作工藝·提供的圖像傳感器圓片級封裝硅通孔的封裝結(jié)構(gòu)的特征是:(I)兩次激光制作的通孔同軸，通孔有一定的錐度；(2)第二通孔穿透焊盤，穿透的深度最大可為3um ；(3)兩次激光開孔的直徑依次為開口端80和50um,末端50um和30um,孔間距為150um ；本發(fā)明提供一種較低成本的圖像傳感器TSV封裝，TSV間形成的電容值較低、信號延時較小，同時對器件不存在輻照損傷。且由于激光加工的靈活性，制備通孔時無需掩膜。綜上所述，本發(fā)明的實(shí)際效果是在制作的硅通孔結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了圖像傳感器的圓片級封裝，該圖像傳感器封裝模塊具有較小的體積和較高的封裝可靠性。激光在環(huán)氧樹脂上制作的通孔結(jié)構(gòu)具有較小的電容值和較小的信號延遲，同時實(shí)現(xiàn)了較高的互連密度。整個制作工藝對器件無輻照損傷，且與IC工藝過程兼容，具有低成本優(yōu)勢。所以，本發(fā)明有效克服了現(xiàn)有技術(shù)中的種種缺點(diǎn)而具高度產(chǎn)業(yè)利用價(jià)值。上述實(shí)施例僅例示性說明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對上述實(shí)施例進(jìn)行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。
權(quán)利要求
1.一種圖像傳感器圓片級封裝方法，其特征在于，該方法包括以下步驟: 1)提供一包含若干芯片的圖像傳感器晶片(I)，與一透明基板(5)鍵合；所述芯片包括形成于其正面的圖像傳感單元(2)以及分布于圖像傳感單元周圍的若干焊盤電極(4)； 2)之后對圖像傳感器晶片(I)進(jìn)行背減薄； 3)之后在圖像傳感器晶片背部、與所述焊盤電極(4)對應(yīng)的位置打孔，形成若干橫截面為倒梯形的第一通孔，孔深為穿透背減薄之后的整個圖像傳感器晶片； 4)在步驟3)之后獲得的結(jié)構(gòu)上噴涂絕緣層(8)并固化； 5)在第一通孔內(nèi)的絕緣層上繼續(xù)形成橫截面為倒梯形的第二通孔至暴露出所述焊盤電極(4);所述第一通孔與第二通孔同軸； 6)接著依次濺射金屬種子層(10)、電鍍形成金屬互聯(lián)層(11)； 7)接著依次制備第二鈍化層(12)和焊料凸點(diǎn)(13)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像傳感器圓片級封裝方法，其特征在于，所述圖像傳感器晶片的材料為砷化鎵GaAs。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像傳感器圓片級封裝方法，其特征在于，步驟I)中圖像傳感器晶片(I)與一透明基板(5)使用BCB作為粘結(jié)劑鍵合。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像傳感器圓片級封裝方法，其特征在于，步驟I)中的透明基板(5)為玻璃基板。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所·述的圖像傳感器圓片級封裝方法，其特征在于，步驟2)中對圖像傳感器晶片(I)進(jìn)行背減薄包括先使用機(jī)械研磨減薄，接著采用化學(xué)機(jī)械拋光減薄的步驟。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像傳感器圓片級封裝方法，其特征在于，所述絕緣層(8)的材料為環(huán)氧樹脂。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像傳感器圓片級封裝方法，其特征在于，所述步驟6)中濺射金屬種子層(10)包括依次濺射黏附層和種子層的步驟。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像傳感器圓片級封裝方法，其特征在于，所述步驟7)中制備鈍化層(12)利用旋涂環(huán)氧樹脂的方法制作。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像傳感器圓片級封裝方法，其特征在于，所述步驟7)中焊料凸點(diǎn)(13)包括以下步驟:首先在制備好第二鈍化層(12)后獲得的結(jié)構(gòu)上旋涂一層光刻膠，光刻，露出需要開口的地方；使用反應(yīng)離子刻蝕對第二鈍化層(12)進(jìn)行開口，刻蝕完成后使用丙酮去膠，濺射金屬薄膜作為焊料凸點(diǎn)(13)的UBM層；使用電鍍法在UBM層上制備焊料凸點(diǎn)(13)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像傳感器圓片級封裝方法，其特征在于，所述第一通孔的間距為150um。
11.一種根據(jù)權(quán)利要求1-10任意一項(xiàng)所述的方法制備的圖像傳感器圓片級封裝結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種圖像傳感器圓片級封裝方法及其結(jié)構(gòu)。包括以下步驟提供一包含若干芯片的圖像傳感器晶片(1)，與一透明基板(5)鍵合；之后對圖像傳感器晶片(1)進(jìn)行背減?。辉趫D像傳感器晶片背部、與所述焊盤電極(4)對應(yīng)的位置打孔，形成若干第一通孔；然后噴涂絕緣層(8)并固化；在第一通孔內(nèi)的絕緣層上繼續(xù)形成橫截面為倒梯形的第二通孔至暴露出所述焊盤電極(4)；所述第一通孔與第二通孔同軸；接著依次濺射金屬種子層(10)、電鍍形成金屬互聯(lián)層(11)；接著依次制備第二鈍化層(12)和焊料凸點(diǎn)(13)。本發(fā)明整個工藝過程在圓片級完成，在降低封裝成本的基礎(chǔ)上具有較高的互連密度。同時，制作的互連結(jié)構(gòu)具有較高的可靠性。
文檔編號H01L27/146GK103247639SQ201210026720
公開日2013年8月14日 申請日期2012年2月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月7日
發(fā)明者葉交托, 羅樂, 徐高衛(wèi), 王雙福 申請人:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所