具有暴露的传感器阵列的传感器封装以及制造其的方法
【专利说明】具有暴露的传感器阵列的传感器封装以及制造其的方法
[0001]相关申请
本申请要求2013年6月3日提交的美国临时申请号61/830，563和2013年6月5日提交的美国临时申请号61/831，397的优先权，并且它们通过引用并入本文。
技术领域
[0002]本发明涉及诸如图像传感器和化学传感器之类的微电子传感器设备的封装，并且更具体地涉及使传感器受保护、电气连接但又暴露的传感器封装。
【背景技术】
[0003]半导体设备的趋势是封装在较小封装(其保护芯片同时提供芯片外信令连接性)中的较小集成电路(1C)设备(还称为芯片)。一个示例是图像传感器，其是包括将入射光变换成电气信号的光电探测器的1C设备。
[0004]图像传感器典型地包封在保护传感器以免受污染并且提供芯片外信令连接性的封装中。然而，一个问题在于用于包封光学传感器的透明衬底能够不利地影响穿过其并且到达传感器上的光(例如失真和光子损失)。另一类型的传感器是化学传感器，其探测诸如气体和化学品之类的物理物质。然而，为了操作，化学传感器不能从环境密封，而仍旧合期望的是封装这样的传感器以用于保护和芯片外信令连接性。
[0005]在美国专利出版物2005/0104186和2005/0051859以及美国专利6，627，864中公开常规传感器封装。每一个所公开的传感器封装包括传感器芯片、诸如硅构件之类的主衬底、PCB或挠性PCB、用于传感器区域的窗口开口以及气密地密封传感器区域的透明玻璃。可选地并且频繁地，密封区域填充有透明环氧化物以改进传感器管芯与主衬底之间的键合强度，这牺牲至少某些光子传感器的灵敏度。透明玻璃用来保护传感器区域以免受污染和潮湿同时还向封装提供附加衬底强度和刚性。传感器芯片通常通过倒装芯片或布线键合技术而安装到主衬底上。这允许传感器键合垫通过诸如球状栅格阵列(BGA)之类的互连与主衬底的表面上的多个金属迹线连接。金属迹线通常沉积在主衬底的表面上，其典型地由单层电路构成。然而，难以实现具有这些配置的减少的尺寸和防止组装过程期间的传感器区域污染。
[0006]存在针对改进的封装和封装技术的需要，其在具有芯片外信令连接性的情况下对传感器提供某种保护，而又使传感器暴露于所探测到的情况。还存在针对具有支持主衬底的改进的附连和连接性方案的需要。
【发明内容】
[0007]前述问题和需要通过所封装的传感器组装件解决，该传感器组装件包括具有相对的第一和第二表面的第一衬底以及各自在第一和第二表面之间延伸的多个传导元件。第二衬底包括相对的前表面和后表面、形成在前表面上或中的一个或多个探测器、以及形成在前表面处的电气耦合到一个或多个探测器的多个接触垫。第三衬底安装到前表面以在第三衬底与前表面之间限定腔室，其中第三衬底包括从腔室延伸通过第三衬底的第一开口。后表面安装到第一表面。多个布线各自在接触垫中的一个与传导元件中的一个之间延伸并且电气连接这二者。
[0008]所封装的传感器组装件包括:包括相对的前表面和后表面的第一衬底；形成在前表面上或中的一个或多个探测器；形成在前表面处的电气耦合到一个或多个探测器的多个接触垫；安装到前表面以在第二衬底与前表面之间限定腔室的第二衬底，其中第二衬底包括从腔室延伸通过第二衬底的第一开口 ；形成到第一衬底的前表面中的沟槽；以及各自从接触垫中的一个延伸并且到沟槽中的多个传导迹线。
[0009]用于形成所封装的传感器组装件的方法包括:提供具有相对的第一与第二表面的第一衬底；形成各自在第一与第二表面之间延伸的多个传导元件；提供第二衬底(包括相对的前表面与后表面、形成在前表面上或中的一个或多个探测器、以及形成在前表面处的电气耦合到一个或多个探测器的多个接触垫)；将第三衬底安装到前表面以在第三衬底与前表面之间限定腔室，其中第三衬底包括从腔室延伸通过第三衬底的第一开口 ；将后表面安装到第一表面；以及提供各自在接触垫中的一个与传导元件中的一个之间延伸并且电气连接这二者的多个布线。
[0010]形成所封装的传感器组装件的方法包括:提供第一衬底(包括相对的前表面和后表面、形成在前表面上或中的一个或多个探测器、以及形成在前表面处的电气耦合到一个或多个探测器的多个接触垫)；将第二衬底安装到前表面以在第二衬底与前表面之间限定腔室，其中第二衬底包括从腔室延伸通过第二衬底的第一开口 ；将沟槽形成到第一衬底的前表面中；以及形成各自从接触垫中的一个延伸并且到沟槽中的多个传导迹线。
[0011]本发明的其它目标和特征将通过审阅说明书、权利要求书和附图而变得显而易见。
【附图说明】
[0012]图1A-1P是顺序地示出了在形成用于图像传感器的所封装的传感器组装件中的步骤的横截面侧视图。
[0013]图2是示出了安装到所封装的传感器组装件的透镜模块的横截面侧视图。
[0014]图3是示出了用于化学传感器的所封装的传感器组装件的可替换实施例的横截面侧视图。
[0015]图4A-4F是顺序地示出了在形成所封装的传感器组装件的可替换实施例中的步骤的横截面侧视图。
[0016]图5A-5B是示出了用于提供跨传感器的物理物质的流动的保护衬底中的多个开口的横截面侧视图。
[0017]图6是示出了用于提供跨传感器的物理物质的非线性流动的腔室中的屏障结构和保护衬底中的多个开口的横截面侧视图。
【具体实施方式】
[0018]本发明是向传感器芯片提供保护、提供芯片外信令连接性、具有最小尺寸并且可以可靠地制备的封装解决方案。
[0019]图1A-1P图示了所封装的传感器组装件1的形成。该形成以包含形成在其上的多个传感器12的晶片10 (衬底)开始，如在图1A中所示。出于图示的目的，将关于光学传感器描述所封装的传感器的形成，但是可以使用任何传感器(例如化学传感器等)。每一个图像传感器12包括多个光电探测器14、支持电路16和接触垫18。传感器12配置成探测和测量入射在每一个传感器12的有源区域17上的光。接触垫18电气连接到光电探测器14和/或其支持电路16以用于提供芯片外信令。每一个光电探测器14将光能量转换成电压信号。可以包括附加电路以放大电压和/或将其转换成数字数据。色彩过滤器和/或微透镜20可以安装在光电探测器14之上。这种类型的传感器在本领域中是公知的，并且在本文不被进一步描述。
[0020]接下来形成具有传感器窗口开口的保护衬底。保护衬底22可以是玻璃或者任何其它光学透明或半透明的刚性衬底。玻璃是优选的材料。厚度范围为50-1500 μm的玻璃是优选的。传感器区域窗口开口 24例如通过激光、喷砂、蚀刻或者任何其它适当的腔室形成方法而形成在保护衬底22中。形成在保护衬底22中的开口 24在图1B中图示。开口 24的侧壁可以是如所示出的竖直的，或者可以向内或向外逐渐变尖。优选地，开口 24在尺寸上等于或小于它们将放置在其之上的底层有源区域17，如图1D和1F中分别图示的。可替换地，可以存在用于每一个有源区域17的多个开口 24，如图1C和1E中所图示的。每一个有源区域将具有至少一个开口 24。开口 24可以是针对特定传感器功能性所相容的任何形状或尺寸。开口 24将通过消除在传统图像传感器封装中找到的光学透明保护衬底所引起的失真和光子损失而使图像传感器获益。开口 24还可以将传感器有源区域17暴露于环境，从而允许化学传感器探测器探测传感器所暴露于的诸如气体和化学品之类的物理物质。
[0021]将间隔物材料26的可选层沉积在保护衬底22上，这要么在形成开口 24之前要么在形成开口 24之后。间隔物材料26可以是聚合物、环氧化