在基底背面具有图案层的电子封装及其制造方法

专利名称：在基底背面具有图案层的电子封装及其制造方法
技术领域：
本发明一般涉及半导体集成电路的电子封装。更具体地，本发明涉及这样一种光敏(photo-sensing)半导体器件的电子封装，即，在其基底表面形成有图案层以优化性能。
背景技术：
在第10/692,816、60/507,100、10/829,273、以及60/536,536号悬而未决的美国专利中公开了应用于光敏器件的电子封装新技术，这些申请公开的内容通过引用并入本文。图1-2B是举例说明用这些技术实现的电子封装的实施例的截面图，对它们更为完整的描述都包括在上述申请中。
图1中示出的封装典型地适合于常规应用。而图2A和2B中的封装特别适合于移动电话中的照相模块，在这种应用中，紧凑的尺寸总是需要考虑的重要问题。
在给出的封装中，光敏器件限定出特定的感光区域，该区域在图中所示的结构中，位于顶部表面的中央部分。该光敏器件设置有能够充分透过某些所感兴趣波长范围内的光的基底。该基底例如可以由玻璃材料形成，这样光敏器件可感应波长在可见范围内的光。电气互连线和一个或多个钝化层在基底的正面上方形成(图中所示的结构中的基底的底面)，并且，在光敏器件和基底之间典型地采用了倒装连结方式。为了保护光敏器件的侧壁部分以及它所延伸出的感光区域，还提供了一种密封结构。在使用现有技术中公知的合适方法形成的最终封装中，还可以设置其他适合结构，例如焊球和去耦电容等。但是对它们的具体描述对于理解本发明并没有必要，因此并没有包括这些内容。
在图1、和2A，2B所举例说明的电子封装构造中，光敏管芯的感光区域与基底的正面相对，其形成了图中所示的基底的背面。这样一来，对应于光敏管芯感光区域的基底正面不具有任何互连金属线路或者钝化层，以不会阻挡或干扰通过基底上该区域进入感光区域的光线。
然而，光线仍可能通过一些不希望的途径进入感光区域。在基底正面位于感光区域之外的部分形成例如图案金属层结构。给定基底的透射率和图案金属层或其他结构的反射率，则在上述之外部分处进入基底的光线仍然会通过反射路径进入感光区域。即使上述之外部分具有非金属结构，例如钝化层，但是它们良好的光传输特性也会使得一些光线通过它们传给光敏管芯，或者附近的其它表面，从而造成不良的影响。
光线通过这些非预期的外围路径进入会通过几种显著的方式对正常的操作造成潜在的危害。例如，图案金属层的边沿会以一种不规则的方式反射碰撞光线。相对应的是，产生不规则并且非常复杂的光线传输和反射。因此，感光区域所感应的光线中会引入不必要的干扰。因此，为了最大程度的减小甚至完全消除这种干扰，需要对各种类型的光敏器件封装提供适当的保护措施。

发明内容
技术问题本发明的一个目的是防止不需要的光被反射到给定封装内的光敏元器件的感光区域。
按照本发明形成的光敏元器件的封装能够解决上述问题以及其它问题。
技术方案所述封装包括基底，与所述基底耦合的至少一个光敏半导体管芯，以及在基底的表面上形成的图案层。基底是由可以基本透过预定波长范围的光的材料制成，并在其相对的侧具有正面和背面。光敏半导体管芯限定了与基底正面相对的至少一个感光区域，用于接收与所述背面碰撞并从其穿过的光。图案层在所述背面形成用于阻挡至少一部分与所述背面碰撞的光。图案层被形成为限定出窗口，该窗口对准了感光区域的至少一部分，由此可以通过基底进行光通信。
依据本发明的优选实施方案，窗口的外形是矩形，并位于所述感光区域之内的周边范围。
此外，依据本发明优选的实施方案，光敏半导体管芯上形成有多个焊盘。该实施方案中的基底是由一种能够充分透过预定波长范围的光的材料制成，所述光能够由光敏元器件探测。基底上形成了至少一个图案金属层，用于形成多个金属互连线。同时，该基底上形成了至少一个图案钝化层，以保护金属线的相互连接。因此，钝化层包括多个孔以限定基底侧接合焊盘。这些焊盘优选包括至少一组可以与光敏元器件管芯形成相互连接的焊盘，至少一组可以与外部系统形成相互连接的焊盘，以及可以和其他部件形成连接的焊盘，如果预计的应用需要的话。
在本发明另一个优选的实施方案中，电子封装包括光敏元器件和基底之间的倒装连接。
根据本发明优选实施方案的电子封装结构可以进一步包括密封结构，用于在光敏器件感光区域附近填充光敏器件与基底之间的间隙。
有益效果如上所述，因为图案层是在基底背面上形成，用于阻塞与基底的背面碰撞的至少一部分光的通路。同时，图案层限定出窗口，该窗口与感光区域的至少一部分对准，由此可以通过基底进行光通信。本发明的封装能够防止不需要的光被反射到给定封装内的光敏元器件的感光区域。


图1示意性地示出了根据未决的第10/692,816号专利中的实施方案形成的光敏电子封装的截面图；图2A示意性地示出了根据未决的第10/892,273号专利中的实施方案形成的光敏电子封装的截面图；图2B是图2A中的光敏器件电子封装实施方案的仰视图；图3A是图1中示出的光敏器件电子封装实施方案的示意性的剖面图，在图中示出的封装中形成有根据本发明的一个实施方案的背面图案层；图3B是图3A中示出的光敏器件电子封装实施方案的示意性俯视图；以及图4是图2A和2B中示出的光敏器件电子封装实施方案的示意性剖面图，在图4中所示的封装中形成有根据本发明的实施方案的背面图案层。
优选实施方式图3A-4示意性地显示了示例的封装10和20。封装10和20中的每一个都具有在其中形成有根据本发明一个实施方案的图案层130。为了清楚和简洁，图中相同的部件用相同的标号表示。
在形成各个所示出的封装10，20时，为光敏半导体晶片典型地配备多个管芯，各个管芯具有在晶片的正面形成的集成电路，并具有多个焊盘(pad)。晶片在其正面上方形成了图案钝化层，用于保护位于其下面的集成电路。钝化层对应焊盘的位置配备有开口。由此所得到的多个光敏管芯中的每一个均在其正面或光接收表面限定出至少一个感光区域。
晶片凸点形成(wafer bumping)是一项众所周知的技术，自从其问世以来已经被广泛应用，例如转让给IBM公司的、题目为“制造超小型功能元器件方法”的第No.3,292,240美国专利所公开的那样。典型的晶片凸点形成处理包括形成至少一个图案金属层，用于使倒装凸点焊盘与晶片上的焊盘相连。倒装凸点焊盘所使用的合金技术通常被称为凸点下合金(UBM)，并典型地利用多层结构以提供多个功能，例如对焊盘的良好的附着力，抵抗凸点材料的良好扩散势垒区等等。
现有技术中有很多凸点材料。包括金、镍、铜、以及焊接合金等，这些焊接合金主要是基于锡的合金。
现有技术中的沉积UBM的技术有很多种。这些技术包括阴极溅镀、电镀、无电电镀等等。同样现有技术中也有很多种形成凸点的方法。在形成金或是铜凸点时经常会采用电镀技术，而无电电镀技术通常用于形成镍或铜凸点。在形成焊接合金凸点时，通常会使用电镀技术或印刷技术。
根据本发明，光敏半导体晶片优选地(但不是必需地)包含在焊盘上方形成的UBM焊盘，这取决于实际应用中所使用的具体倒装凸点形成工艺和安装工艺。换句话说，如果需要的话，本发明中的光敏半导体晶片可进一步包含在UBM焊盘上方形成的倒装凸点。
基底通常是分离制造的。起初，优选地将以具有大面积的晶片或板的形式设置基底，以便于在批量生产过程中形成大量的基底单元，这种方式如同半导体晶片在制造过程中形成了多个管芯一样。通常，基底材料最好能够达到预定应用所需要的足够的透过度、机械硬度、以及化学稳定性。
在示出的光敏应用中，基底材料基本对特定波长或特定波长范围的光具有基本透过性，从而将碰撞在基底背面上的光传输到安置在基底正面或其正面附近的光敏器件。适当的基底材料优选包括，但不仅仅限于，玻璃、石英、蓝宝石、硅以及其他材料，对于特定基底材料的实际选择取决于预定应用所需要的波长范围。示范性的应用要求光敏器件工作在例如X光、紫外线、可见光或是红外线的波段内。
基底材料不仅必须有足够的化学稳定性和机械强度以经受住在必要的制造过程中所达到的温度和加工的极限，而且需要对预期的环境因素有足够的抵抗力，从而可以使制成的元件在预期的使用期限内正常工作。工作在可见光波长范围内的光敏器件的基底材料优选为，在本领域中公知为适于光学应用的任何合适的玻璃材料。这种玻璃材料趋向于具有足够的化学和温度稳定性，其成本也不高，并且原材料来源很广泛。
为了增强光在基底中的传输，在基底的一个或更多的表面可以涂上至少一层薄膜层，这取决于预期应用的需要。这种涂层可以是精通光学技术的人们所称作的所谓的防反射涂层(ARC)类型，并用来使所感兴趣的所有光谱的光的反射损失降低到最小。同样，为了增强或减少特定波长范围的光在其中的传输，在基底的一个或多个表面涂上至少一层薄膜层。这些镀层是光学技术中公知的“光过滤”类型。一个例子是，以与在移动电话的照相机模块的芯片板(COB)上应用红外线(IR)截除过滤器玻璃的相同方式，使用IR截除过滤器。
在基底100的正面105上形成有至少一个图案金属层110，用于制造电气互连线。在图案金属层110上形成有至少一个图案钝化层120，以保护所限定的互连线。图案钝化层120形成有多个开口，用于在基底侧制造焊盘。这些焊盘使基底100的连接线与光敏器件200、外部系统、以及其它元件(如果有的话)等之间可以进行电气连接。
根据本发明，如果焊盘本身不能完全适合制造倒装焊凸点，则基底可优选(但不是必需)进一步包含在焊盘之上形成的UBM焊盘。焊盘是否能够完全适合，主要取决于特定的焊盘材料以及所采用的倒装焊技术。此外，根据本发明，基底可以(尽管这不是必需的)进一步包括在UBM焊盘上方形成的倒装凸点。
如图3A和4中的各个实施方案所示，优选采用本领域中公知的适合的倒装组装处理，在基底单元100安装至少一个光敏器件管芯。适合的倒装装配处理具有很多种，这取决于所使用的凸点材料。根据最广泛应用的一个倒装装配处理，使用焊料凸点形成倒装芯片的接头。通过该处理，具有焊料凸点的管芯被设置在具有相应焊料凸点焊盘的基底上，然后应用助熔剂，将其加热至该焊料材料的熔点温度。
其他已知的工艺包括用于将金凸点接合到任何适合的焊盘的热超声波焊接或热收缩焊接。在例如将金、镍、或铜凸点与任何合适的凸点或焊盘接合时，热收缩焊接工艺还可以与各向同性的导电胶(ICA)、各向异性的导电胶(ACA)、或各向异性的导电薄膜(ACF)一起使用。
根据本发明的电子封装10、20并不仅仅限于任何特定的倒装凸点材料或任何倒装装配处理。对于这些材料和处理的特定选择取决于要应用的特殊需求。
根据本发明优选实施方案的电子封装包括密封结构140，用以填充光敏半导体管芯200和基底100之间的间隙，以在光敏半导体管芯200的感光区域150处限定出封闭的空腔。
根据本发明，封装10、20进一步包括在基底100的背面或是光碰撞面上形成的图案层130。图案层130形成窗口开孔132，开孔132与感光区域150的至少一部分150’对准，从而使得图案层130有效的框住(frame)部分150’(如图3B所示)，以最小化例如由于杂散光的进入所造成的光学干扰。
对背面图案层130的最重要的要求是其对特定波长的光的吸收能力。例如，在可见光的范围，具有黑色或是其它对于所感兴趣的波长的光基本不透明颜色的聚合体或是环氧材料均可用作图案层130。
背面侧图案层130可以采用任何已知技术上的适合的方法形成。对液体密封材料(liquid encapsulant)或是聚合物材料进行孔版(stencil)或丝网印刷是最简单的、适于在涂层130上形成图案的方法之一。其他适合的方法包括将液体密封材料针分涂到基底的表面。应用的液体密封材料适合的粘度范围优选大约为3,000-80,000厘米·克·秒(centipoise)。涂层130的厚度部分由材料的粘度和加工的方法所决定的，但是优选的厚度范围大约为4-100微米。无论采用何种材料或应用何种方法，采用适当的方法预防形成图案层的处理对布置在感光区域150之上的基底部分(开口132内的内区域)的污染是很重要的。
另一种形成图案背面层130的方法是旋涂和图案形成法。市场上提供了多种可用于旋涂的聚合物材料。现有的材料分为光可定义的和不可光定义的两种类型，而技术上更普遍应用的是光可定义的类型。这些材料的应用大部分情况下是采用绝缘体夹层或是缓冲涂层技术。典型的材料的粘度范围大约为1000-4000厘米·克·秒。
对在可见波长范围的光，由于这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够不透明的着色剂，以实现对于可见波长范围内的光的不透光性。在旋涂和图案形成方法中，根据材料的粘度，涂层厚度的范围大约为4-20微米。与丝网印刷或是针分涂法相比，旋涂和图案形成法的一个优势是更大的薄膜均匀性，和更小的在感光区域150污染基底的可能性。
根据本发明优选的实施方案，在光可定义的聚合物材料的基底100上，使用旋涂法和形成图案的正在开发的技术形成的背面图案层130的厚度范围为约4-20微米之内。图案层130的材料优选用能够对特定波长的光充分吸收的材料。
工业适用性根据本发明形成的独特封装适用于各种根据现有工艺技术制造出的光敏器件和光探测器，如CCD或者CMOS。本发明适用于各种使用图像传感器的领域，如便携式摄像机，数码相机，电脑摄像头，手机摄像头，PDA，手持摄影机，监控摄像机，玩具，车载设备，生物测定，和其他类似的设备。本发明还适用于线性阵列图像传感器，如传真机，扫描仪，条形码读码器和扫描器，数码复印机，和类似设备。同样本分明还适用于封装非图像类光敏传感器，如单二极管、四象限二极管等在运动检测中的应用，光级传感器，定位和跟踪系统以及其他类似的应用。另外，本发明还适用于需要只在预定区域密封的通用电子封装。
虽然对本发明的描述是结合具体的实现形式和具体实施方式
进行的，但应该理解，能够在不背离本发明的精神和范畴下，对描述形式进行各种改造。例如，可以用同等的部件替代特定的外观和描述，某些特性可以独自应用而不依靠其他特性；在一定情况下，制造过程中特定的制造组合或装配步骤，可以被颠倒或插入其他步骤，这些改造都不违反所附的权利要求所定义的本发明的精神和范畴。
权利要求
1.一种光敏器件封装，包括(a).基底，由对预定波长范围内的光基本透明的材料形成，并在其相对的侧具有正面和背面；(b).至少一个光敏半导体管芯，与所述基底耦合，并限定与所述基底的正面相对的至少一个感光区域，用于接收与所述背面碰撞并从其穿过的光；(c).图案层，在所述背面形成用于阻挡至少一部分与所述背面碰撞的光，所述图案层限定出与所述感光区域的至少一部分对准的窗口，用来通过所述基底进行光通信。
2.如权利要求1所述的光敏器件封装，其中，所述窗口的形状是矩形的，并位于所述感光区域之内的周边范围。
3.如权利要求1所述的光敏器件封装，其中，所述图案层由能够吸收所述预定波长范围内的光的材料制成。
4.如权利要求3所述的光敏器件封装，其中，形成所述图案层的材料包括液态密封材料、环氧化物或聚合材料。
5.如权利要求4所述的光敏器件封装，其中，所述图案层由包括着色剂的材料构成，所述着色剂对于所述预定波长范围内的光基本不透明。
6.如权利要求4所述的光敏器件封装，其中，所述图案层由厚度基本约为4-100微米的材料构成。
7.如权利要求4所述的光敏器件封装，其中，在所述基底的所述背面形成的所述图案层的类型从以下组合种选择孔版印刷层、丝网印刷层、针分涂层，旋涂和图案层、以及旋涂和光显影层。
8.如权利要求7所述的光敏器件封装，其中，所述预定波长范围包括可见光的波长范围。
9.如权利要求3所述的光敏器件封装，其中，所述光敏半导体管芯与所述基底的所述背面隔有间隙。
10.如权利要求9所述的光敏器件封装，还包括密封结构，所述密封结构位于所述光敏半导体管芯和所述基底之间，以绕所述间隙延伸并将其包围，从而在所述感光区域和所述基底正面的一部分之间限定出密封腔体。
11.一种光敏器件封装，包括(a).基底，由对预定波长范围内的光基本透明的材料形成，并在其相对的侧具有正面和背面，所述正面具有内区域和在其附近延伸的外区域，在所述外区域形成所述基底的互连线和钝化层；(b).至少一个光敏半导体管芯，与所述基底正面的所述外区域耦合，并限定与所述基底正面的所述内区域相对的至少一个感光区域，用于接收与所述背面碰撞并从其穿过的光；以及(c).图案层，在所述基底的所述背面形成用于阻挡至少一部分与所述背面碰撞的光，所述图案层形成与所述感光区域的至少一部分对准的窗口，用来通过所述基底进行光通信，从而使得所述感光区域的至少一部分基本被框住以最小化光学干扰。
12.如权利要求11所述的光敏器件封装，所述的窗口形状是矩形的，并位于所述感光区域之内的周边范围。
13.如权利要求12所述的光敏器件封装，其中，所述图案层从以下材料的组合种选择的材料形成液态密封材料、环氧化物，和聚合材料。
14.如权利要求13所述的光敏器件封装，其中，所述图案层由厚度基本约为4-100微米的材料构成。
15.如权利要求4所述的光敏器件封装，其中，在所述基底的所述背面形成的所述图案层的类型从以下组合种选择孔版印刷层、丝网印刷层、针分涂层，旋涂和图案层、以及旋涂和光显影层。
16.如权利要求15所述的光敏器件封装，其中，所述图案层由包括基本不透明的着色剂的材料构成。
17.如权利要求16所述的光敏器件封装，其中，所述基底由对可见光波长范围内的光基本透明的玻璃材料形成。
18.一种光敏器件封装，包括(a).基底，由对预定波长范围内的光基本透明的材料形成，并在其相对的侧具有正面和背面，所述正面具有内区域和在其附近延伸的外区域，在所述外区域形成所述基底的互连线和钝化层；(b).至少一个光敏半导体管芯，通过倒装互连与所述基底正面的所述外区域耦合，并限定与所述基底正面的所述内区域相对的至少一个感光区域，用于接收与所述背面碰撞并从其穿过的光，所述光敏区域与所述内区域隔有间隙；(c).密封结构，所述密封结构位于所述光敏半导体管芯和所述基底之间，以绕所述间隙延伸并将其包围，从而在所述感光区域和所述基底正面的一部分之间限定出密封腔体；以及(d).图案层，在所述基底的所述背面形成用于吸收至少一部分与所述背面碰撞的光，所述图案层形成窗口，以框住所述正面的所述内区域的一部分，所述窗口与所述感光区域的至少一部分对准，用来通过所述基底进行光通信。
19.如权利要求18所述的光敏器件封装，其中，在所述基底的所述背面上形成的所述图案层是旋涂和光显影类型的，所述图案层由包括基本不透明的着色剂的、可喷涂和光可定义的聚合材料形成。
20.如权利要求19所述的光敏器件封装，其中，所述图案层由厚度基本约为4-100微米的材料构成。
全文摘要
公开了一种光敏器件封装。该封装包括基底、与基底耦合的至少一个光敏半导体管芯、以及在基底的光接收表面形成的图案层。基底是由对预定波长范围的光基本透明的材料制成。半导体管芯限定出至少一个与基底正面相对的感光区域，从而能够接收与基底的背面碰撞的光。图案层形成于基底的背面上，阻塞了至少一部分与背面碰撞的光的通路。图案层形成有窗口，该窗口与感光区域的至少一部分对准，用于通过基底进行光通信。
文档编号H01L27/146GK1950943SQ200580014500
公开日2007年4月18日 申请日期2005年5月3日 优先权日2004年5月6日
发明者金德勋 申请人:阿帕托佩克股份有限公司