专利名称：具有晶粒容纳孔洞的晶圆级影像传感器封装与其方法
技术领域：
本发明系关于一种晶圆级封装(WLP, wafer level package)结构，特别关于是一种具有晶粒容纳孔洞之载体，可在晶圆级封装 中容纳影像传感器之晶粒。
背景技术：
在半导体组件的领域中，组件的密度不断地在增加，而组件 的尺寸亦不断地縮小。为了因应上述状况，业界对于这类高密度 组件所需之封装与互连技术要求亦愈来愈高。在一般的覆晶 (flip-chip)连接方法中，焊锡凸块(solder bump)会以数组排列方式 形成在晶粒的表面。其形成方法是藉由使用一焊接复合材料经过 一防焊漆(solder mask)来产生所需之焊锡凸块图形。芯片封装之 作用包含分配电路中的电能与讯号、加强散热效果、提供保护及 支撑结构等诸如此类的功能。随着半导体组件变的愈来愈复杂， 传统的封装技术，如导线架封装(lead frame)、软质基板封装 (flexible package)、硬质基板封装(rigid package)等封装技术，已 不能满足现今制作具有高组件密度的微型芯片需求。再者，因为一般的封装技术需要将晶圆上的晶粒先分成个别 的小晶粒在对各单一晶粒进行封装，因此采用这类的技术在制程 方面是非常耗时的。由于芯片封装技术与集成电路的发展息息相 关，故当业界对于电子产品的尺寸大小愈来愈注重时，其封装技 术亦随之受到重视。基于以上理由，目前封装技术之趋势是大致 上是朝球门阵列(ball grid array, BGA)、覆晶(flip chip)、芯片尺 度封装(chip scale package, CSP)以及晶圆级封装(wafer level package, WLP)等方面发展。「晶圆级封装」意味着整个封装的流 程和所有晶圆上的互连接点以及其它的制程步骤都会在晶粒进 行切割步骤前完成。通常此封装方式会在所有的组装步骤或封装 步骤完成后才将个别的半导体封装结构从原本含有多个半导体晶粒的晶圆上分开。晶圆级封装的好处是可同时具有极小的封装 尺寸与极佳的电性表现。晶圆级封装是 一 种先进的封装技术，其晶粒是直接在晶圆上 进行制造与测试，之后才被切割来在表面黏着在线进行个别的组装。因为晶圆级封装技术是将整片晶圆而非单 一 晶粒视为 一 个工件。故以此作法，晶圆的封装与测试都会在划线(scribbling)切割 步骤前先完成；再者，因为晶圆级封装是先进的技术， 一般封装 技术中的打线接合(wire bonding)、黏晶(die mounting)及底部填胶 (under-fill)等步骤都可以加以省略，故采用晶圆级封装技术可有 效减少制造所需的时间与成本。此外，晶圆级封装完成后的结构 大小与晶粒几乎相同，故此技术可满足电子组件微型化之需求。虽然具有上面所提之优点，晶圆级封装技术仍旧存在着一些 问题而影响到业界对此技术之接受度。例如，尽管晶圆级封装技 术可以减少IC与互连基底(interconnection)之间热膨胀系数(CTE coefficient of thermal expansion)不合的程度。但当组件的尺寸愈 来愈小时，晶圆级封装的构成材料之间热膨胀系数差别会变成影 响结构中机械稳定度的关键因素。再者，在这类晶圆级芯片尺度 的封装架构中，半导体晶粒上所形成之接垫(bond pads)是透过一 般的重布制程(redistribution)来进行重布，其牵涉到了形成一重 布层(RDL， redistribution layer)来将复数个金属接垫以区域排列 的方式进行位置重布。在此架构中，锡球会(solder ball)直接熔在 上述以重布制程形成区域排列的金属接垫上。就典型来说， 一般 先前技术中所有堆栈的重布层都是形成在晶粒的增层(built-up layer)上方，使得封装结构的整体厚度增加，有违原本以减少芯 片大小为诉求之初衷。故此，本发明提供了一种扩散型(fan-out type)晶圆级封装，其结构中不含重布层及增层堆栈以减少封装厚度来克服上述之 问题，并可在温度循环测试的环境下提供一较佳的基板层级可靠 度(Board Level Reliability)。发明内容本发明提供了一种封装结构，其包含一基底，该基底具有一 晶粒容纳孔洞形成在其上表面与一通孔结构穿过其中；一终端垫形成在该通孔结构下方；该基底还含有一导电布线(trace，或 电路)形成在其下表面上； 一 晶粒以黏着方式配置在晶粒容纳孔洞 的内部，一介电层形成在该晶粒与基底上方。一重布金属层(RDL) 形成在介电层上并耦合至晶粒及通孔结构。另有复数个导电凸块 耦合至终端接垫。须注意者，本发明在其介电层与上保护层内有一开口形成以 露出CMOS影像传感器(CIS)晶粒的微镜区域。最后，可选择在 该微镜区域上方形成一可过滤红外线的透明覆盖层以提供保护 效果。在本发明中，影像传感器芯片的微镜区域上镀有保护层(膜)； 该保护层(膜)具有斥水斥油之性质以避免杂质粒子污染微镜区 域；保护层(膜)的厚度约以O.lum至0.3um为佳，且其反射率接 近空气的折射系数l(reflection index)。此制程可以SOG(spin on glass,旋涂玻璃制程)技术来施行，亦可以硅晶圆形式或是面板型 晶圆形式来进行封装处理(为了避免后续制程受到杂质粒子污染， 以硅晶圆形式来进行封装制程为佳)。保护层之材质可为Si02, A1203或是含氟聚合物(Fluoro-polymer)等。本发明实施例中，介电层之材质包含了弹性介电材料、以硅 酮为主的介电材料、BCB (benzocyclobutene， 苯环丁烯)或PI (polyimide，聚亚酰胺)等。以硅酮为主的介电材料包含了硅氧烷 聚合物(siloxane polymers, SINR)、氧化硅、氮化硅或上述材料之 组成物。此外，介电层亦可包含一感光层。在本发明中，重布层 (RDL)往下通往终端接垫以与通孔结构连结。本发明实施例中基底的材质包含了有机环氧树脂(epoxy)类 的FR4、 FR5、 BT、 PCB(印刷电路板)、合金或金属。其合金材质 包含了合金42(42%镍-58%铁)或Kovar合金(29 %镍-1 7 %钴-54 %铁)。此外，基底之材质亦可是玻璃、陶瓷或硅材。
图1描述了本发明中一扩散型晶圆级封装结构之截面图； 图1A描述了本发明中一扩散型晶圆级封装结构中的微镜结构；图2描述了本发明中一扩散型晶圆级封装结构之截面图；图3描述了本发明中一扩散型晶圆级封装结构之截面图；a 图4描述了本发明中一面板式扩散型晶圆级封装结构之截面2 基底4 晶粒容纳孔洞6 通孑L8 终端接垫10 布线12 保护层14 黏晶材料16 晶粒18 介电层20 输出入接垫22 通孔金属24 重布层26 保护层28 切割道30 导电球体40 开□42 微镜区域44 透明覆盖层50 保护层具体实施方式
本发明将以较佳之实施例及观点加以详细叙述，而此类叙述 系解释本发明之结构及程序，只用以说明而非用以限制本发明之 申请专利范围。因此，除说明书中之较佳实施例之外，本发明亦 可广泛实行于其它实施例，且本发明之范畴仅由其所伴随之请求 项来作限定。本发明揭露了一种晶圆级封装结构，其采用一基底，该基底 内部具有预先形成的通孔结构与晶粒容纳孔洞。 一感光层材质被 镀在晶粒与该预先形成的基底上。该感光层之材质以弹性材料为佳。图1描述了根据本发明较佳实施例中一扩散型晶圆级封装(FO-WLP, fan out type wafer level package)之截面图。如图1所 示，扩散型晶圆级封装结构包含了一基底2， 一晶粒容纳孔洞4 形成于其中以容纳一晶粒16。复数个通孔6从基底的上表面穿过 基底至其下表面而形成。 一导电材质被填入通孔6中以提供导电 连结。终端接垫8位于基底的下表面上并以导电材质连接至通孔 6。 一导电电路布线(trace)10被设置在基底2的下表面上。 一保 护层12，如防焊漆(solder mask),可形成在导电布线10的上方 以提供保护效果。晶粒16被配置在基底2上的晶粒容纳通孔4内部并以一黏 着(黏晶)材料14将之固定。如所知者，接垫(bonding pads)20是 形成在晶粒16上。 一感光层或介电层18会形成在晶粒16的上 方并填入晶粒16与孔洞4侧壁之间的空隙中。封装结构中，复 数个开口以微影制程或曝光显影的方式形成在介电层18的内部。 该复数个开口分别与通孔6、输出入接垫20以及微镜区域40对 齐。重布层(RDL)24，亦可称作金属布线24，是以移除部分形成 于介电层18上的金属层之方式而形成，其中重布层24会透过输 出入接垫20与晶粒16保持电性连结。部分重布层材料会被填进 介电层18的开口中而分别在通孔6与焊接垫20上形成通孔金属 22与接垫金属。此外， 一保护层26被形成来覆盖重布层24。结构中，介电层18形成在晶粒16与基底2的上方并填满晶 粒16周围的空隙。上述之架构构成了一 LGA(land grid array,平 面闸格数组式)封装。须注意者， 一开口 40形成在介电层18与保护层26内以露 出CMOS影像传感器(CIS)之微镜区域42。 一保护层50(如图1A 所示)可形成在微镜区域42的上方。如习知技艺者所熟知，开口 40—般是以微影制程形成。在一例中，开口 40的下方部位可于 通孔结构的产生过程中被形成。通孔40的上方部位则是在保护 层26镀上后才形成。另外，所有的开口40亦可在保护层形成后 再以光学微影的方式形成。影像传感器的微镜区域上镀有保护层 (膜)；该保护层(膜)具有斥水斥油之性质以避免微镜区域受到杂 质粒子的污染。保护层(膜)的厚度以O.lum至0.3um为佳，而其反射率则接近空气的反射率1。此制程可以SOG制程技术来施行， 亦可以硅晶圆形式或是面板晶圆形式来进行封装处理(为了避免 后续制程受到杂质粒子污染，以硅晶圆形式来进行封装处理形式 为佳)。保护层之材质可为Si02， Al203或含氟聚合物等。最后，可选择在该微镜区域42上方形成一可过滤红外线的 透明覆盖层44以提供保护效果。该透明覆盖层44可以玻璃、石 英等材料组成。图2所示为本发明之另一实施例，图中复数个导电球体30 形成在终端接垫8下方。此种结构称为BGA式封装结构(Ball Grid Array,球门阵列)。基底2之材质以有预先定义孔洞之有机基底， 如FR5、 BT(Bismaleimide triazine)、 PCB材料或是有预先蚀刻电 路的合金42为佳。具有高玻璃转换温度(Tg)之有机基底为环氧树 脂类的FR5或BT类基底。而合金42则是由42%的镍与58%的 铁所组成。另外亦可使用Kovar合金，其由29 %的镍，1 7 %的钴 及54%的铁所组成。玻璃、陶瓷与硅等材料因为其热膨胀系数 (CTE)低可作为基底之材质。请参阅图3，孔洞4的长度可比晶粒 16的厚度大，其深度亦可更深。图2中的其它部分与图1类似， 故此处将其相似部位之组件符号省略。本发明实施例中之基底可为圆形，如晶圆形状，其直径可为 200， 300 mm或更大。该基底亦可为方形，如面板型晶圆(panel wafer)之形式。图3说明了一用于面板型晶圆之基底结构2(截面 图)。如图中所示，基底2具有孔洞4与内建电路10，通孔结构6 内部有填入金属。图l中的单元2在图4中是以矩阵的形式排列。 单元2之间有定义切割道(scribe line)28以分离每个独立的单元在本发明一实施例中，介电层18之材质以弹性介电材料为 佳，如含有硅氧烷聚合物之硅酮介电材材、氧化硅、氮化硅与上 述材质之组成物。在另一实施例中，介电层是以BCB、环氧树脂、 PI或树脂等材料所构成。在此实施例中，介电层最好为一感光层 以满足封装制程简化之需求。在本发明一实施例中，其弹性介电层之材料的热膨胀系数大 于100 (ppm/。C)、延展率约为40%(以30°/。至50%为佳)，而其硬 度约介于塑料与橡胶之间。弹性介电层18的厚度取决于温度循环测试期间重布层/介电层接口之间所累积的应力多寡来决定。在本发明一实施例中，重布层24之材质包含钛/铜/金合金或 钛/铜/镍/金合金；重布层24的厚度介于2um与15um之间。钛/ 铜合金是以溅镀制程形成，亦可作为结构中的晶种层(seed layer)， 而铜/金或铜/镍/金合金则是以电镀制程形成；加强电镀制程可使 重布层的厚度变厚以承受温度循环中的热膨胀系数不合所产生 之影响。金属接垫20可为铝或铜或其中的组成物。采用硅氧烷 聚合物(SINR)与铜来作为扩散型晶圆级封装结构中弹性介电层 与重布层金属之材料可有效降低其重布层与介电层接口之间所 累积的应力。如图1至图3所示，本发明实施例中的重布层24金属是从 晶粒处扩散而出并向下连接至通孔结构下方的终端接垫8。此点 不同于先前技术中在晶粒上方迭层(layer stack)之作法，迭层设计 会增加晶粒封装的厚度。相反地，终端接垫是位于晶粒接垫面另 一面的表面上。用以连接之布线会经由通孔穿过基底2而将讯号 传至终端接垫8。以此方式，晶粒封装后之厚度可明显地縮小， 使得本发明之封装结构比先前技术来的薄。再者，实施例中的基 底是在封装前预先准备的，其孔洞4与电路布线10亦预先定义 好。故其封装产能可获得改善。本发明揭露了一种扩散式的晶圆 级封装结构，其采用重布层上无增层(built-up layer)堆栈之设计。本发明之流程包含了提供一对准工具(alignment)，其上有 对准图形。接着，将图形胶(pattern glue)印在工具上(用来黏住晶 粒的表面)，接着使用一具有覆晶功能(flip chip)的精细对准取置 系统(pick and place system)来将好的晶粒在工具上依适当的间距 进行重布。图形胶会将晶粒黏在工具上。接下来，黏晶材料会被 印在晶粒的背面。之后，面板焊线机(panel bonder)会被用来将基 底焊在晶粒背面；基底上表面除孔洞以外的部分都被图形胶所覆 盖；之后，将带有面板型晶圆的工具进行真空固化(vacuum curing) 步骤以将面板型晶圆与工具分离。另一方面，亦可使用具有精确对准功能的晶粒焊接机来进行 封装，其黏晶材料是分置在基底的孔洞上。晶粒会被放置在基底 的孔洞上。之后黏晶材料会被热固以确保晶粒黏在基底上。当晶粒在基底上重布完成后，会进行一干洗或湿洗的步骤来清洗晶粒的表面。接着面板上会镀上一层介电材质，再施以真空 处理确保面板内部没有气泡产生。接着，进行微影蚀刻制程来形 成通孔、铝接垫、微镜区域及/与切割道部位(此部分为选择性制程)。之后会施行电浆清洁(plasma clean)步骤来清洗通孔与铝接 垫的表面。下一步，以溅镀制程形成钛/铜合金材质之晶种层，再 将光阻镀在介电层与晶种层的上方以形成重布金属层(RDL)之图 形。再来，以电镀方式来形成铜/金或铜/镍/金合金作为重布层金 属。之后，将光阻拔除并进行金属湿蚀刻来形成重布层之金属布 线。接着，以镀膜或印刷的方式形成上介电层并露出结构中的微 镜区域与切割道(此部分为选择性制程)。在锡球配置或锡膏(solder paste)印刷完成后，基底面会被施 以热回焊(re-flow)处理。面板型晶圆的最终测试(final testing)是 使用一直立式探针卡(probe card)来施行。测试后，基底会被切割 成个别的封装单元。该个别的封装单元会使用一取置工具放置在 拖盘(tray)或巻带(reel and tape)上进行包装。本发明之优点如下基底中具有预先形成的孔洞；其孔洞大小等于晶粒大小每边 加上约50um至100um的长度；在此空间中填入弹性介电材料可 作为一应力缓冲释放区域以吸收因硅晶粒与基底(FR5/BT)之间 热膨胀系数不同所造成的热应力。由于发明中的晶粒表面上采用 的是简单的增层制程，可增加整体封装产能(制造所需的周期时间 减少)。终端接垫形成在晶粒的有效表面另一面的表面上(预先形 成)。晶粒设置的流程与之前的制程相同。本发明之设计不需要核 心胶(core paste,如树脂、环氧树脂化合物、硅胶等材料)填入的 步骤，且于面板型晶圆制程中不会有热膨胀系数(CTE)不合的问 题，而晶粒与基底FR4之间的深度仅约20um至30um(用于黏晶 材料之厚度)。当晶粒黏在基底的孔洞内，晶粒与基底的表面高度 会一致。晶粒的有效表面与基底表面上仅镀有一层硅酮介电材质 (以SINR为佳)。由于本发明中介电层(SINR)亦是感光层，封装 中的通孔结构可以使用光罩制程来形成。在镀SINR层的流程中 施以真空处理可以解决气泡产生的问题。在基底与晶粒接合之 前，晶粒的背面会先印上一层黏晶材料。此结构所产生的封装可 靠度与基板层级可靠度(board level)皆较以往来的好，特别是就基板层级的温度循环测试而言。这是由于其基板与PCB母板的热膨 胀系数相同，故悍锡凸块/锡球上不会受到任何热机械应力所致。 此外，本发明制程简单且成本较低，可应用在多重晶粒封装方面 (如双晶粒封装)。虽然本发明之较佳实施例已于上面文中作描述，但本发明领 域之熟习技艺者应了解本发明不局限在其所描述之较佳实施例。 反之，实施例中不同的变更与修改可在本发明之精神与范畴内实 行，如同以下所定义之专利请求项。
权利要求
1.一种影像传感器结构，其特征在于其包含一基底，具有一晶粒容纳孔洞形成在该基底的上表面及一通孔结构穿过其中，一终端接垫形成在该通孔结构下方以及一导电布线形成在该基底的下表面上；一具微镜区域之晶粒以黏着方式配置在该晶粒容纳孔洞中；一介电层形成在该晶粒与该基底上；一重布层(RDL)形成在该介电层上，其中该重布层经由该通孔结构耦合至该晶粒与该终端接垫；其中该介电层具有一开口一露出该微镜区域。
2. 如权利要求1所述之结构，其特征在于更包含导电凸块耦 合至该终端接垫。
3. 如权利要求1所述之结构，其特征在于其中该介电层含有 一弹性介电层与感光层。
4. 如权利要求1所述之结构，其特征在于其中该介电层包含 一以硅酮为主的介电材料、BCB(苯环丁烯)、PI(聚亚酰胺)； 该以硅酮为主的介电材料包含硅氧垸聚合物(SINR)、氧化硅、氮化硅或其中之组成物。
5. 如权利要求1所述之结构，其特征在于其中该重布层是从该晶粒位置处往外扩散(fan out)。
6. 如权利要求1所述之结构，其特征在于.*其中该基底之材质 包含环氧树脂类的FR5与FR4、 BT、 PCB、金属、合金、合 金42(42%镍-58%铁)、Kovar合金(29 %镍-17 %钴-54 %铁)、玻璃、硅材与陶瓷。
7. 如权利要求1所述之结构，其特征在于更包含一保护介电 层形成在该基底的下表面上以覆盖该导电布线； 一保护层形 成在该微镜区域上以保护微透镜不受杂质粒子污染；及一可 过滤红外线之透明覆盖层形成在该微镜区域的上方，其中该 保护层具有斥水斥油之性质。
8. —种形成半导体组件封装之方法，其特征在于其包含提供一基底，其具有一晶粒容纳孔洞形成在该基底的上表 面及一通孔结构穿过其中， 一终端接垫形成在该通孔结构下方，而该基底含有一导电布线形成在该基底的下表面上；-使用一取置精细对准系统(pick and place system)来将好的 晶粒在工具上依适当的间距进行重布；将该基底黏在该晶粒背面，并施行固化步骤将该晶粒与工具 分离；在该基底上镀上一层介电材料并施以真空处理；形成该基底内的通孔结构、微镜区域及输出入接垫(I/O pad);将晶种层以溅镀方式形成在该介电层、通孔结构与该输出 入接垫上方；在该介电层上形成重布层金属；在该重布层上方形成一上介电层；及在该上介电层中形成开口以露出该微镜区域。
9. 如权利要求8所述之方法，其特征在于其中该影像传感器 晶粒具有一保护层形成在该微镜区域上以保护微透镜不受杂 质粒子污染。
10. 如权利要求8所述之方法，其特征在于更包含在該微鏡區 域上方形成一可過濾紅外线之透明覆盖层。
全文摘要
本发明系提供一种封装结构，其包含一基底；一晶粒容纳孔洞形成在该基底的上表面，一通孔结构穿过其中；一终端接垫形成在该通孔结构下，而该基底合有一导电布线形成在该基底的一下表面上；一晶粒以黏着方式配置在该晶粒容纳孔洞中，而一介电层形成在该晶粒与基底上；一重布金属层(RDL)形成在该介电层上并耦合至晶粒与通孔结构；多个导电凸块被耦合至终端接垫；一开口形成在介电层与上保护层上并露出影像传感器晶粒的微镜区域。一具斥水斥油性质之保护层(膜)被镀在微镜区域上以避免该区域受到杂质粒子污染。另外可选择在微镜区域上方形成一可过滤红外线的透明覆盖层来保护微镜区域。
文档编号H01L21/60GK101246897SQ20081000626
公开日2008年8月20日 申请日期2008年2月5日 优先权日2007年2月12日
发明者周昭男, 张瑞贤, 杨文焜, 林志伟 申请人:育霈科技股份有限公司