专利名称：半导体装置封装及其封装方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体装置封装，且更确切地说，涉及一种图像传感器封装，其通过将用于所述图像传感器封装的焊球(solder ball)的熔点 规定为不同于用于其它结合应用中的焊料的熔点来防止在制造过程期间在 密封环和用于电接触的连接件中出现缺陷，且本发明涉及一种封装所述图 像传感器封装的方法。
背景技术：
图像传感器是能够捕捉人和其它物体的困像的半导体装置。图像传感 器目前不但用于典型的数码相机和便携摄像机(camcorder)，而且还安装在 移动电话中，这使得大约1999年以来图像传感器市场取得迅猛发展。图l是常规图像传感器的示意图。如图1中所说明，图像传感器(即， 图像传感器芯片2)包含位于装置中央区域的图像感测区域(通常称为像 素区域)4;和布置在图像传感器周边区域中的端子(通常称为结合焊垫 (bonding pad)) 6。端子6发射从像素捕捉的图像的电信号、发射/接收 其它信号并供应电。图像感测区域4具有多个光电二极管，其形成在底 部以将光转换成电信号；彩色滤光片，其形成在光电二极管上方以分离颜 色的红、绿和蓝三原色；以及微透镜，其堆叠在彩色滤光片顶部以在二极 管上聚光并改善敏感度。作为图像传感器2的示意图，图1为了方便起见 只说明图像感测区域4和电极6 。在典型半导体装置的情况下，广泛使用一般称为塑料封装的封装，其具 有用例如环氧树脂等密封剂完全密封的结构。然而，在图像传感器的情况 下，因为光必须至少到达图像传感器表面上的图像感测区域才能感测图像， 所以无法使用上述典型的塑料封装。已经广泛地将具有玻璃覆盖物的陶瓷封装用作图像传感器的封装。图2 是广泛用作图像传感器封装的陶瓷无引脚芯片载体(ceramic leadless chip carrier, CLCC)的截面图。图2中说明的相关技术图像传感器封装 10 0具有光检测图像传感器芯片110 ，其使用环氧树脂等安装在陶瓷衬底12 0 上，例如，使芯片表面面朝上。为了将图像传感器芯片110连接到陶瓷衬 底120,须使连接到图像传感器芯片110的引线140连接到形成在陶瓷衬底 120底部上的接触端子150,且图像传感器封装IOO通过接触端子150连接 到电路板。
虽然这种陶瓷封装比较耐用，但其较昂贵且难以微型化。由于这些特 征，即使在如今也仅在例如数码相机和便携摄像机等需要高度可靠性而不 受大小和成本限制的产品中采用这种类型的陶乾封装。相反地，陶覺封装很少用于例如低到中等水平的移动相机电话(mobile camera phone)等价 格竟争激烈且微型化较重要的产品中。因此，为了克服以上的局限性，且受到移动相机电话和类似的需要微 型化组件的市场分割的迅猛发展的驱动，对发展图像传感器的低成本、微 型化封装的兴趣已增加。作为对陶瓷封装的替代，对图像传感器芯片采用芯片级封装(chip scale package, CSP )。与将棵图像传感器芯片安装在相机模块上的板上芯 片(chip on board, COB)配置不同，在晶片级上封装图像传感器芯片，以 防灰尘或湿气渗透到图像感测区域中。基于对图像传感器封装进行的研究，本发明提供一种用于图像传感器 的CSP配置的封装，将参看图3A和图3B对其进行简单描述。图3A和图3B是2005年6月22日登记的韩国专利登记号为第 10-0498708号中揭示的半导体装置的电子封装的示意图，所述专利以引用 的形式并入本文中。图3A是上述取得专利的揭示案中揭示的半导体装置封装的示意性平面 图，且图3B是图3A中的半导体装置封装沿着线A-A'截取的示意性截面图。如图3A和图3B中所说明，半导体装置封装包含图像传感器10,其具 有需要密封的密封区域；衬底组合件20,其面朝图像传感器10而设置,且具有形成在其上的金属互连件2i和形成用于保护金属互连件n的钝化层23;多个倒装芯片焊接点(solder joint) 13,其形成在图像传感器10与 村底组合件20之间，用以将图像传感器10电连接到衬底组合件20;以及 多个焊球25,其结合到衬底组合件20,用于将封装安装到外部电路板30 (未图示)。为了封装图像传感器10的密封区域10a，在图像传感器10的密封区域 10a周围在图像传感器10与衬底组合件20之间形成焊接密封环11，以防 杂质渗透到衬底组合件20与图像传感器10之间的空间(密封区域10a )中。当将如上配置的半导体装置封装与图2中的CLCC (其需要用于其电连 接的多层陶瓷衬底和用于透射光的玻璃覆盖物两者)进行比较时，图3A和 图3B中的半导体装置封装通过将上述两种功能并入玻璃村底中而具有简单 很多的结构。图3A和图3B中的制造半导体装置封装的方法大体上包含制备图像 传感器和衬底组合件；以及通过回流焊才妄工艺(ref low soldering process ) 对焊接密封环和形成在图像传感器与衬底组合件之间的倒装芯片焊接点进
行预结合。为了将这个封装安装到外部电路板，将半导体装置封装上的焊 球设置成面朝外部电路板，并接着通过回流焊接将其结合到外部电路板。根据相关技术，焊接密封环、倒装芯片焊接点和焊球是由相同类型的 焊料形成的，因而其各自的熔点是相同的。因此，可在结合焊球的工艺期 间熔化所述焊接密封环和倒装芯片焊接点，因为所述焊接密封环和倒装芯 片焊接点经过预结合而将衬底组合件附接到图像传感器，这导致因熔化的 焊接密封环而引起图像传感器的封装受到损坏，并导致因熔化的倒装芯片 焊接点而引起的电连接缺陷。此外，所述焊接密封环的严重熔化可能导致村底组合件与半导体装置 分离。发明内容本发明提供一种半导体装置封装及其封装方法，其能够通过将半导体 装置封装上使用的焊球的熔点规定成不同于其它结合焊料的熔点，而防止 在将封装安装在外部电路板期间所述焊接密封环和倒装芯片焊接点出现缺陷。根据示范性实施例， 一种半导体装置封装设备包含半导体装置;衬底 组合件，其设置成面朝半导体装置；焊接密封环，其紧密地密封半导体装 置和衬底组合件；以及多个焊球，其设置在衬底组合件的焊接密封环的外 周边，其中所述焊接密封环具有高于焊球的熔点。所述半导体装置封装可进一步包含多个倒装芯片焊接点，其位于半导 体装置与衬底组合件之间，以将半导体装置与村底组合件电连接，其中所 述倒装芯片焊接点可具有与焊接密封环相同的熔点。所述焊接密封环和倒装芯片焊接点的熔点可能比焊球的熔点高大约30 。C到60°C。所述焊接密封环和倒装芯片焊接点的熔点可能在大约21(TC到 240'C的范围内，且焊球的熔点可能在大约170'C到20(TC的范围内。所述半导体装置可以是图像传感器，且所述衬底组合件可具有透光性 (light transmissivity )。根据另一示范性实施例， 一种封装半导体装置的方法包含在所述半 导体装置上形成焊接密封环；在衬底组合件上结合焊球，所述焊球的熔点 低于所述焊接密封环的熔点；通过将衬底组合件定位成面朝半导体装置并 结合所述焊接密封环，将半导体装置和衬底组合件紧密地密封；以及在将 衬底组合件定位在外部电路板上之后将焊球结合到外部电路板。形成所述焊接密封环可进一步包含形成多个倒装芯片焊接点，其具有 与位于焊接密封环外周边中的焊接密封环的熔点相同的熔点。紧密地密封 半导体装置和衬底组合件可进一步包含将倒装芯片焊接点一起结合到焊接 密封环的结合件，从而将半导体装置与衬底组合件电连接。结合焊球可包含将焊球加热到回流温度，所述回流温度高于焊球的熔 点且低于焊接密封环的熔点。
通过结合附图来阅读以下描述，将可更详细了解示范性实施例，其中 图l是常规图像传感器的示意图。图2是图像传感器的相关技术的陶瓷封装的示意性截面图。 图3A是本发明中使用的半导体装置封装的示意性平面图。 图3B是沿图3A的线A-A'截取的示意性截面图。图4A到图4C是说明根据示范性实施例来装配半导体装置和村底组合 件以及将封装安装在外部电路板上的过程的截面图。
具体实施方式
作为各种设备和电路的组件的半导体装置通常具有封装结构。下文中将半导体装置和封装结构统称为"半导体装置封装"。根据示范性实施例的半导体装置封装结构经配置以使得倒装芯片焊接 点的熔点高于焊球的熔点，其中倒装芯片焊接点将半导体装置和用于封装 半导体装置封装的密封区域的焊接密封环电连接到衬底组合件，且其中焊 球将封装连接到外部电路板。下文将连同焊接密封环、倒装芯片焊接点和 焊球的熔点来一起描述根据示范性实施例的半导体装置封装的配置。下文中，将参看附图来详细描述示范性实施例。图3A是本发明中使用的半导体装置封装的示意性平面图，且图3B是 沿着图3A的线A-A'截取的示意性截面图。参看图3A和图3B，根据本发明的半导体装置封装包含半导体装置10 和设置成面朝半导体装置10的衬底组合件20。半导体装置10可为任何具有密封区域10a的半导体装置，且根据本发 明在描述中使用图像传感器。由于选择图像传感器作为半导体装置10，所以衬底组合件20相应地采 用透明材料，例如玻璃衬底。形成焊接密封环11以在半导体装置10与村底组合件20之间围绕所述 密封区域10a,从而封装所述密封区域10a。所述焊接密封环11可具有任何能够封装所述密封区域10a的形状。举 例来说，焊接密封环可具有闭环形状、具有预定宽度和长度以及空气通道 的开环形状。焊接密封环可形成为具有预定宽度的开环形状的焊接密封环 与一个或两个具有接近开放部分的宽度的辅助焊接密封环的组合，且可具
有其它各种配置。本发明示范性描述具有闭环形状的焊接密封环。如示范性说明的，焊接密封环11可具有各种形状，且使用具有熔点在大约210。C到24(TC范围内的焊接材料。根据本发明的焊接密封环11中使 用的焊接材料可具有大约217。C的熔点。举例来说，可使用成分为95.7% 的Sn、 3. 8 %的Ag和0. 5 %的Cu的不含Pb的焊料。将所述封装电连接到外部电路板30用的多个焊球25结合到衬底组合 件20。半导体装置IO应电连接到衬底组合件20。如图3A和图3B中所说明， 根据本发明的半导体装置封装进一步包含多个倒装芯片焊接点(flip chip solder joint) 13，以将半导体装置10电连接到衬底组合件20。倒装芯片焊接点13中使用的焊料可具有与焊接密封环11中使用的焊 料相同的熔点。焊接密封环11中使用的、熔点为大约217。C且成分为95. 7 %的Sn、 3. 8 %的Ag和0. 5 %的Cu的不含Pb的焊料也用于本发明示范性 实施例中的倒装芯片焊接点13。此外，在衬底组合件20上使用的焊球25由熔点低于所述焊接密封环 11和倒装芯片焊接点13的材料形成。焊球25中使用的材料可具有比焊接 密封环11和倒装芯片焊接点13中使用的焊料低大约3(TC到60。C的熔点。在典型的表面安装技术(surface mount technology, SMT )工艺期间， 在焊料经过温度比焊料熔点高大约30。C的回流炉(ref low oven)时执行所 述焊料的回流工艺，以便适当地结合焊料。因此，可通过在结合焊球25时 使用熔点比焊球熔点高3(TC到6(TC的焊接材料来避免所述焊接密封环11 和倒装芯片焊接点13的结合状态的降级。相应地，即使将回流温度升高到比焊球25的熔点高大约30°C，以便在 SMT工艺中结合放置在衬底组合件20上的焊球"，所述焊接密封环11和 倒装芯片焊接点13也不会受到升高的温度的影响，这是因为回流温度类似 于或低于放置在半导体装置10与衬底组合件20之间的焊接密封环11和倒 装芯片焊接点13的熔点。因此，针对焊球25而使用熔点在大约17(TC到200。C范围内的材料，且 所述材料可具有37%的Pb和63%的Sn的成分以及大约183。C的熔点。下文将参看附图来详细描述封装如上配置的半导体装置封装的方法。图4A到图4C是说明根据示范性实施例来装配半导体装置和衬底组合 件以及将封装安装在外部电路板上的过程的截面图。根据示范性实施例的封装半导体装置封装的方法包含形成一种焊接密 封环11,其用于封闭半导体装置10上的密封区域10a且用于封装所述密封 区域10a。制造半导体装置10时是由制造包含多个半导体装置的半导体晶片开
始。通常，芯片装配工将半导体晶片予以制成且将其供应到一种通称为外部制造阶段(fab-out stage)的阶段。在外部制造阶段之后，需要一种后 (pos t)处理以在根据本发明示范性实施例的此种封装中采用所述产品。为 了方便起见，下文中将只涉及所述后处理。后处理称为倒装芯片焊凸(flip chip solder bumping )。 一般来说， 为了形成焊料结合连接，须形成可与所述焊接密封环11熔接(fusion-bond ) 的焊垫(pad)。此外，依据半导体装置封装的配置，可与倒装芯片焊接点 13熔接的焊垫可与另外的可与所述焊接密封环11熔接的焊垫同时形成。在半导体装置IO和衬底组合件上形成上述焊垫，以对应于焊接密封环 11和倒装芯片焊接点13。在晶片上形成凸块下金属(under bump metallurgy, UBM)层，并将其图案化以形成焊垫。以此方式，提供多个焊 接密封环焊垫11a和倒装芯片接点焊垫13a，以分别对应于焊接密封环11 和倒装芯片焊接点13。在通过上述过程在半导体装置10上提供所述焊接密封环焊垫11a和倒 装芯片焊接点焊垫13a之后，分别在半导体装置IO上在相应焊垫11a和13a 上形成焊接密封环11和倒装芯片焊接点13。可通过典型的电镀或印刷方法来形成焊接密封环11和倒装芯片焊接点 13。此外，如上所述，可针对焊接密封环11和倒装芯片焊接点13而使用 成分为95. 7 %的Sn、 3. 8 %的Ag和0. 5 %的Cu的不含Pb的焊料，其熔点 大约是217-C。接着，将透光的衬底组合件20定位成面朝半导体装置10。通过以下方式形成衬底组合件20:界定将电连接到半导体装置10的至 少一个单元衬底；在单元衬底的上表面上形成至少一个金属层，并将金属 层图案化以形成金属互连件21;以及形成钝化层23以保护金属互连件21。形成金属互连件21或形成钝化层23可采用所属领域的技术人员众所 周知的半导体技术。金属互连件21和钝化层23包含用于电连接的两种类型的接触端子21a 和21b，以及对应于提供在半导体装置10上的焊接密封焊垫11a的焊接密 封环焊垫llb。两种类型的接触端子21a和21b中的一个21a是用于形成结合到半导 体装置10的倒装芯片焊接点13,且另一个21b是用于将封装电连接到外部 电路板30。将多个焊球25熔接到此接触端子21b。针对焊球25而使用熔点低于所述焊接密封环11和倒装芯片焊接点13 的材料。更确切地说，可使用熔点比所述焊接密封环11和倒装芯片焊接点 13低大约3(TC到6(TC的材料。因此，在示范性实施例中，使用成分为37%的Pb和63%的Sn且熔点
大约为183匸的焊球。当如上所述制备衬底组合件20时，将形成在半导体晶片上的多个半导 体装置10分离，且将衬底组合件20定位在半导体装置10上，使得半导体 装置10的焊接密封环11和倒装芯片焊接点13可与相应的焊接密封环焊垫 lib和金属互连件21的接触端子21a形成接触，如图4A所示。接着，如图4B所说示，通过回流焊接将衬底组合件20加热到比焊接 密封环11和倒装芯片焊接点13的熔点高大约20。C到3(TC的温度，且因此 将所述焊接密封环11与多个倒装芯片焊接点13熔接。虽然熔接到衬底组合件20的焊球25可在焊接密封环11和倒装芯片焊 接点13的熔接期间熔化，但焊球25由于表面张力的缘故而能够保持其形 状。当如上所述制备封装时，接着将所述封装定位在外部电路板30的适当 位置处，使得焊球25正确定位，且通过回流焊接将焊球25加热以将所述 封装安装在外部电路板30上，如图4C所示。通过加热到高于焊球25的熔 点且低于所述焊接密封环11和倒装芯片焊接点13的熔点的温度来熔接所 述焊球25。也就是说，因为焊球25的结合期间的回流温度低于所述焊接密封环11 和倒装芯片焊接点13的熔点，所以所述焊接密封环11和倒装芯片焊接点 13的结合状态不会受到温度的影响，且焊球25可被均匀熔接。根据本发明的示范性实施例，通过以下方式来封装半导体装置在形 成衬底组合件20的阶段期间熔接多个焊球25，且接着使用焊接密封环13 来封装半导体装置10和衬底组合件20。或者，可在使用焊接密封环13来 封装半导体装置10和衬底组合件20之后在将衬底组合件20安装在外部电 路板30之前，将焊球25结合到单独的衬底組合件。在任何情况下，将焊球25加热到高于焊球25的熔点且低于焊接密封 环11和倒装芯片焊接点13的熔点的温度，使得所述焊接密封环11和倒装 芯片焊接点13的结合状态不受影响。如上所述，在根据示范性实施例的半导体装置封装及其封装方法中，将 熔接在半导体装置与衬底组合件之间的焊接密封环和倒装芯片焊接点的熔可在焊球熔接期间确保焊接密封环和倒装芯片焊接点的结合状态的可靠 性，藉此可在制造过程期间防止所述密封环和焊接点的部分中产生缺陷。虽然已经参看示范性实施例描述了半导体装置封装及其封装方法，但 本发明并不局限于此。因此，所属领域的技术人员将容易理解，可在不偏 离随附权利要求书界定的本发明的精神和范围的情况下对其作出各种修改 和变化。
权利要求
1.一种半导体装置封装，其特征在于包括半导体装置；衬底组合件，其设置成面朝所述半导体装置；焊接密封环，其紧密地密封所述半导体装置和所述衬底组合件；以及多个焊球，其设置在所述衬底组合件的所述焊接密封环的外周边中，其中所述焊接密封环具有高于所述焊球的熔点。
2. 根据权利要求1所述的半导体装置封装，其特征在于，所述半导体 装置是图像传感器，且所述村底组合件具有透光性。
3. 根据权利要求1所述的半导体装置封装，其进一步包括多个倒装芯 片焊接点，所述焊接点位于所述半导体装置与所述衬底组合件之间以将所 述半导体装置电连接到所述衬底组合件，其中所述倒装芯片焊接点具有与所述焊接密封环相同的熔点。
4. 根据权利要求3所述的半导体装置封装，其特征在于，所述焊接密 封环和所述倒装芯片焊接点的熔点比所述焊球的熔点高大约30。C到60°C。
5. 根据权利要求4所述的半导体装置封装，其特征在于，所述焊接密 封环和所述倒装芯片焊接点的熔点在大约210。C到24(TC的范围内，且所述 焊球的熔点在大约17(TC到20(TC的范围内。
6. 根据权利要求3所述的半导体装置封装，其特征在于，所述半导体 装置是图像传感器，且所述衬底组合件具有透光性。
7. —种封装半导体装置的方法，其特征在于包括 在所述半导体装置上形成焊接密封环；将焊球结合在衬底组合件上，所述焊球具有低于所述焊接密封环的熔点；通过将所述村底组合件定位成面朝所述半导体装置且结合所述坪接密 封环来紧密地密封所述半导体装置和所述衬底组合件；以及在将所述村底组合件定位在所述外部电路板上之后将所述焊球结合到 外部电路板。
8. 根据权利要求7所述的方法，其特征在于，形成所述焊接密封环进 一步包括形成多个倒装芯片焊接点，其具有与所述焊接密封环的外周边中 的所述焊接密封环的熔点相同的熔点，以及紧密地密封所述半导体装置和所述衬底组合件进一步包括将所述倒装 芯片焊接点结合在一起以将所述半导体装置与所述衬底组合件电连接。
9. 根据权利要求7所述的方法，其特征在于，结合所述焊球包括将所述焊球加热到高于所述焊球的熔点且低于所述焊接密封环的熔点的回流温度。
全文摘要
本发明提供一种用作半导体装置封装的图像传感器封装和一种封装所述图像传感器封装的方法。所述封装和方法通过将用于所述图像传感器封装的焊球的熔点规定成不同于其它结合应用中使用的焊料的熔点来防止在制造过程期间在密封环和用于电连接的连接件中出现缺陷。半导体装置封装包括半导体装置，衬底组合件，焊接密封环以及多个焊球。衬底组合件设置成面向半导体装置。焊接密封环紧密地密封着半导体装置和衬底组合件。焊球形成在衬底组合件之焊接密封环之外周边中。所述焊接密封环所具有的熔点较焊球的熔点还高。
文档编号H01L23/48GK101211873SQ200710195969
公开日2008年7月2日 申请日期2007年12月7日 优先权日2006年12月29日
发明者李焕哲 申请人:艾普特佩克股份有限公司