一种晶圆级芯片尺寸封装及其制造方法，属于传感器领域。其包括晶圆，晶圆的正面为形成图像传感区的第一表面，晶圆的负面为第二表面；第一表面自上而下：微镜头、金属互联层和光学交互区；在第一表面制作未穿透硅衬底的硅通孔和重分布层，光学交互区周围的I/O连接到硅通孔；硅通孔孔壁制作作钝化层并填充；在重分布层上用聚合物材料制作第二保护层；第一表面与玻璃片之间键合，玻璃片和晶圆之间形成空腔；第二表面进行减薄，通过蚀刻工艺形成凹槽结构并暴露出硅通孔；第二表面上制作线路层将硅通孔连接到焊盘垫；在线路层上制作防焊层并暴露焊盘垫；焊球在焊盘垫上。本发明专利技术减少了工艺流程，提高了产品可靠性、生产效率，降低了生产的成本。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种晶圆级芯片尺寸封装和一种制造所述晶圆级芯片尺寸封装的方法。所述的封装结构以及制造方法可以优选地用于图像传感器或MEMS器件。
技术介绍
晶圆级封装(WLP)是IC封装方式的一种，作为一种先进的封装技术，其所有的工艺步骤都是在晶圆被切片之前制作完成。晶圆级芯片尺寸封装(WLCSP)是将晶圆级封装 (WLP)和芯片尺寸封装(CSP)结合在一起，在对晶圆的前道工艺制作完成后，直接对晶圆进行晶圆级的封装，并在晶圆上进行互连凸点和测试。正是由于这种封装不同于传统的封装方式(先切割再封测)，晶圆级芯片尺寸封装(WLCSP)不仅明显地缩小了封装后的体积尺寸、 降低了封装成本、提高了封装效率，而且更加符合高密度封装的要求。同时由于由于数据传输路径短、稳定性高，这种封装在降低能耗的同时还提升了数据传输的速度和稳定性。此外由于塑料封装型式(如PBGA)由于其模塑料会对MEMS组建的可动部分与光学传感器造成损害，因此MEMS组件也多采用晶圆级封装，这也成为推动晶圆级封装增长的动力来源。图像传感器是一种半导体模块，是一种将光学图像转换成为电子信号的设备，电子信号可以被用来做进一步处理或被数字化后被存储，或用于将图像转移至另一显示装置上显示等。它被广泛应用在数码相机和其他电子光学设备中。图像传感器如今主要分为电荷耦合器件(CXD)和CMOS图像传感器(ClS，CMOS Image Sensor)。虽然CXD图像传感器在图像质量以及噪声等方面优于CMOS图像传感器，但是CMOS传感器可用传统的半导体生产技术制造，生产成本较低。同时由于所用的元件数相对较少以及信号传输距离短，CMOS图像传感器具备功耗低、电容、电感和寄生延迟降低等优点。图1所示为一款传统的CMOS图像传感器(CIS)的封装示意图。所示CMOS传感器通包括陶瓷基底2，在陶瓷基底2顶部表面上安装的集成电路(IC) 4，粘接剂层3位于集成电路(IC) 4和陶瓷基底2之间。在集成电路4 (IC)表面上有制作好的IC表面的焊盘 6，通过引线7同陶瓷基底2上的基底表面的焊盘8相连接。图像感光区5位于集成电路4 (IC)的顶部，图像感光区5包括能够接受光线产生电信号的光学交互元件(如光敏电二极管，photodiode)阵列。同所述光学交互元件相对应的玻璃透镜10被安装到框架I上，框架I通过粘接剂9同陶瓷基底2连接。图1所示的CMOS传感器结构有很多可以改进的方面。第一，由于该封装使用了体积庞大的玻璃透镜10，这对减小封装的体积极为不利，因此可以通过采用微透镜来减小封装的体积。第二，可以通过在晶圆正面制作重分布层(RDL)将IC边缘的1/0同基底表面的焊盘8相连接，这样可以进一步的减小封装结构的尺寸。第三，所示封装结构不能够用成本更低的晶圆级加工和表面安装技术。随着CMOS技术的日益发展，集成度也越来越高，这就使得图像传感区的面积越来越来以实现 更大面积的感光区域。而对于采用玻璃同晶圆键合这种CIS封装结构，更大的观光区面积会导致玻璃同硅衬底之间的分层现象也越来越严重。为解决以上问题，本专利技术提供了一种晶圆级芯片尺寸封装。通过在玻璃同晶圆之间的键合区域设置台阶式的突起结构，增强晶圆同玻璃之间的键合可靠性，从而改善了现有封装结构中玻璃和硅衬底之间的分层问题，提高了封装可靠性，同时使该封装结构适合更大尺寸的芯片尺寸封装。同时本专利技术的实施方式还提供了一种所述晶圆级芯片尺寸封装的制造方法，通过蚀刻晶圆表面形成沟槽结构，降低了对高深宽比硅通孔(TSV)的需求，在提高产品可靠性的同时降低了生产成本
技术实现思路
本专利技术的第一方面是基于当前适用于CMOS图像传感器的晶圆级芯片尺寸封装 (WLCSP)，针对在芯片尺寸逐渐增大时玻璃同晶圆之间容易产生分层的问题，提供了一种改进的WLCSP封装结构，用以改善该分层问题，提高封装的可靠性。本专利技术所述的晶圆级芯片尺寸封装(WLCSP)包括晶圆200，所述晶圆200的正面为形成图像传感区的第一表面201，所述晶圆200的负面为第二表面202 ;所述晶圆200第一表面201上的图像传感区自上而下包括微镜头230、金属互联层220和光学交互区210, 其中光学交互区210位于第一表面201的上方，在光学交互区210的上方形成有金属互连层220，微镜头230阵列放置在金属互联层220上方，金属互联层220外侧形成有第一保护层235 ;通过在第一表面201制作没有穿透硅衬底200的硅通孔260 (TSV)和重分布层 (RDL)，将光学交互区210周围的I/O通过重分布层(RDL)连接到硅通孔260 (TSV);硅通孔260 (TSV)孔壁上制作有作钝化层265并用电镀工艺将孔填充；在重分布层(RDL)上用聚合物材料制作有台阶式突起结构的第二保护层240 ;晶圆200的第一表面201与玻璃片 250之间通过聚合物键合胶255键合在一起，通过曝光显影工艺在玻璃片250和晶圆200之间形成空腔；对晶圆200的第二表面202进行研磨、蚀刻对晶圆200进行减薄，然后在第二表面202通过蚀刻工艺形成凹槽结构并暴露出硅通孔260 (TSV);通过在硅衬底200的第二表面202上制作线路层将硅通孔260 (TSV)连接到焊盘垫290 ;在线路层上制作防焊层 280 (SMF)并暴露出焊盘垫290以保护第二表面202上的线路层；焊球295制作在焊盘垫 290 上。所述的保护层的材料为氮化硅。所述的聚合物材料为由树脂、溶剂、感光化合物和添加剂等组成。本专利技术的第二方面是提供了一种制造所述晶圆级芯片尺寸封装的方法，包括以下步骤第一步提供晶圆所述晶圆包括形成有电子器件(如微镜头，集成电路IC和光学交互区)的第一表面以及相对于第一表面的第二表面。第二步在晶圆的第一表面蚀刻出TSV孔洞在这一步中首先在晶圆正面涂布一层光刻胶，经过曝光显影形成蚀刻窗口 ；采用干法蚀刻工艺形成TSV孔洞。所述的干法蚀刻工艺包括深反应离子刻蚀(DRIE)。第三步在TSV孔洞内和晶圆的第一表面形成一层钝化层通过采用等离子体化学气相沉积(PECVD)在TSV孔内和晶圆的第一表面形成一层钝化层，所述钝化层为聚合物电介质材料。第四步暴露出光学交互区外围的I/O通过对晶圆第一表面沉积的钝化层进行曝光显影形成蚀刻窗口，采用干法蚀刻暴露出光学交互区外围的I/o。第五步电镀填充TSV通过电镀工艺将形成的TSV孔洞填充并覆盖第一表面，从而使硅通孔(TSV)同光学交互区外围的I/o相连接形成重分布层(RDL)，实现电性互连。第六步形成保护层并安置微镜头在晶圆的第一表面形成保护层，通过曝光显影和蚀刻工艺在晶圆同玻璃的键合区形成台阶式的突起或凹槽结构；然后在晶圆的第一表面金属互联层上方安置微镜头。第七步晶圆同玻璃进行键合在这一步中，首先将聚合物间隔胶涂布在经过前处理清洗过的玻璃表面，预处理清洗包括酸洗中和、等离子清洗等；然后经过曝光显影等工艺在聚合物胶上形成空腔 ’最后通过在聚合物间隔胶表面涂布一层树脂胶并利用键和机台将硅衬底同玻璃进行键合。第八步对晶圆第二表面进行研磨蚀刻在这一步中，首先对晶圆的第二表面进行研磨减薄；其次对研磨后的晶圆的第二 表面进行去应力等离子蚀刻；最后对晶圆的第二表面进行蚀刻以形成凹槽结构并暴露本文档来自技高网...
【技术保护点】
晶圆级芯片尺寸封装,其特征在于：其包括晶圆（200），所述晶圆（200）的正面为形成图像传感区的第一表面（201），所述晶圆（200）的负面为第二表面（202）；所述晶圆（200）第一表面（201）上的图像传感区自上而下包括：微镜头（230）、金属互联层（220）和光学交互区（210），其中光学交互区（210）位于第一表面（201）的上方，在光学交互区（210）的上方形成有金属互连层（220），微镜头（230）阵列放置在金属互联层（220）上方，金属互联层（220）外侧形成有第一保护层（235）；通过在第一表面（201）制作未穿透硅衬底（200）的硅通孔（260）和重分布层，将光学交互区（210）周围的I/O通过重分布层连接到硅通孔（260）；硅通孔（260）孔壁上制作有作钝化层（265）并用电镀工艺将孔填充；在重分布层上用聚合物材料制作有台阶式突起结构的第二保护层（240）；晶圆（200）的第一表面（201）与玻璃片（250）之间通过聚合物键合胶（255）键合在一起，通过曝光显影工艺在玻璃片（250）和晶圆（200）之间形成空腔；对晶圆（200）的第二表面（202）进行研磨、蚀刻对晶圆（200）进行减薄，然后在第二表面（202）通过蚀刻工艺形成凹槽结构并暴露出硅通孔（260）；通过在硅衬底（200）的第二表面（202）上制作线路层将硅通孔（260）连接到焊盘垫（290）；在线路层上制作防焊层（280）并暴露出焊盘垫（290）以保护第二表面（202）上的线路层；焊球（295）制作在焊盘垫（290）上。...
【技术特征摘要】
1.晶圆级芯片尺寸封装，其特征在于其包括晶圆(200)，所述晶圆(200)的正面为形成图像传感区的第一表面(201 )，所述晶圆(200)的负面为第二表面(202);所述晶圆(200) 第一表面(201)上的图像传感区自上而下包括微镜头(230)、金属互联层(220)和光学交互区(210)，其中光学交互区(210)位于第一表面(201)的上方，在光学交互区(210)的上方形成有金属互连层(220),微镜头(230)阵列放置在金属互联层(220)上方,金属互联层 (220)外侧形成有第一保护层(235);通过在第一表面(201)制作未穿透娃衬底(200)的娃通孔(260)和重分布层，将光学交互区(210)周围的I/O通过重分布层连接到硅通孔(260); 硅通孔(260)孔壁上制作有作钝化层(265)并用电镀工艺将孔填充；在重分布层上用聚合物材料制作有台阶式突起结构的第二保护层(240);晶圆(200)的第一表面(201)与玻璃片 (250)之间通过聚合物键合胶(255)键合在一起，通过曝光显影工艺在玻璃片(250)和晶圆 (200)之间形成空腔；对晶圆(200)的第二表面(202)进行研磨、蚀刻对晶圆(200)进行减薄，然后在第二表面(202)通过蚀刻工艺形成凹槽结构并暴露出硅通孔(260);通过在硅衬底(200 )的第二表面(202 )上制作线路层将硅通孔(260 )连接到焊盘垫(290 );在线路层上制作防焊层(280)并暴露出焊盘垫(290)以保护第二表面(202)上的线路层；焊球(295)制作在焊盘垫(290)上。2.根据权利要求1所述的晶圆级芯片尺寸封装，其特征在于所述的保护层的材料为氮化硅；所述的聚合物材料包括树脂、溶剂、感光化合物和添加剂。3.根据权利要求1所述晶圆级芯片尺寸封装的制作方法，其特征在于包括以下步骤第一步提供晶圆；所述晶圆包括形成有电子器件的第一表面以及相对于第一表面的第二表面，所述的电子器件包括有微镜头，集成电路IC和光学交互区；第二步在晶圆的第一表面蚀刻出TSV孔洞；在这一步中首...
【专利技术属性】
技术研发人员：秦飞，武伟，安彤，刘程艳，陈思，夏国峰，朱文辉，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：
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