光電元件晶片及其製造方法
2023-09-21 13:39:20
專利名稱：光電元件晶片及其製造方法
技術領域：
本發明關於一種光電元件晶片，且特別是關於一種具有複合間隙壁結構的光電元件晶片，和一種具有複合間隙壁結構的光電元件晶片的製造方法。
背景技術：
現今數字影像元件已廣泛的使用於許多電子產品，舉例來說，數字影像元件可以使用於數字相機、數字錄像機、具有拍照功能的行動電話和安全控制監視器等等。
數字影像元件通常包括光電元件晶片，例如CCD影像感測晶片或是CMOS影像感測晶片，而這種影像感測晶片可採用稱為晶片級晶片尺寸封裝(Wafer level chip scale package，以下可簡稱WLCSP)的先進封裝技術進行封裝。在傳統的封裝技術中，先將具有微元件的晶片切割成多個晶片，再將晶片封裝，其中微元件可例如為電子元件、微機電元件或是光電元件。然而，例如影像傳感器的微元件，可使用晶片級晶片尺寸封裝(WLCSP)技術，使其在晶片級進行封裝，舉例來說，微元件可以在其仍為晶片階段時進行封裝。
Badehi申請的美國專利第6,777,767號揭示一種晶片級晶片尺寸封裝(WLCSP)的方法，如圖1所示，準備一包括基底400和複合間隙壁406的封裝層，間隙壁406由例如環氧化物為基礎的光致抗蝕劑材料所組成，且將光致抗蝕劑材料圖形化以形成如圖所示的結構。
請參照圖2A至圖2E，施加黏著劑402於鄰接間隙壁406和間隙壁406間的位置，如此，封裝層可和包括多個微元件的另一基底404貼合。接著，請參照圖2B，在貼合之後，研磨和蝕刻基底404以形成薄分隔部分407，且定義出位於上基底400和基底404之間的腔體405。接著，請參照圖2C，通過一樹脂層408將一下封裝層410黏合於上述結構。請參照圖2D，以機械方法將封裝層410和樹脂層408刻出凹口，之後，在其上形成電性接觸412和凸塊414。接著，請參照圖2E，沿著虛線切割所形成的結構，以形成多個封裝晶片。
然而，不同於其它電子元件和微機電元件，在應用上述晶片級晶片尺寸封裝(WLCSP)技術對例如數字影像元件的光電元件進行封裝時，有一獨特的考慮腔體405的高度對於光電元件的光特性是非常關鍵的，在一數字影像元件晶片中，由於腔體405的高度是覆蓋玻璃和聚焦平面間的距離，因此需準確地控制該距離，以最佳化光特性。在一數字影像元件晶片中，厚度的容許度應是不超過聚焦深度的範圍，而其依照有關影像元件晶片的光學系統的像素尺寸和數值孔徑(FNo)決定，舉例來說，在一數值孔徑等於2.8的光學系統中，一3.6μm傳感器(例如像素尺寸為3.6μm)的聚焦深度約為10.08μm；一2.2μm傳感器的聚焦深度約為6.16μm；一1.8μm傳感器的聚焦深度約為5.04μm；一1.2μm傳感器的聚焦深度約為3.36μm。
然而，根據Badehi的發明，腔體405的高度由間隙壁406和黏著劑402的複合厚度所決定，其中間隙壁406是由黃光光刻工藝形成，須注意的是，形成間隙壁406的光致抗蝕劑不同於用於圖形化半導體基底電路層的光致抗蝕劑層(其厚度一般在1μm範圍)，如此厚的光致抗蝕劑層可能會導致嚴重的均勻性的問題，一般來說，因為旋轉塗布工藝和光致抗蝕劑黏性的因素，光致抗蝕劑厚度會有晶片間±(10％～20％)的變化，換句話說，對於40μm目標厚度的間隙壁，其可能會有±4μm～±8μm厚度的變化，因為當像素尺寸小於2.2μm可能會導致嚴重的失焦(defocus)的問題，如此大的變化是不可接受的，舉例來說，圖7顯示在一像素尺寸為1.8μm且目標厚度為40μm的案例中聚焦深度分別為46/43/40/37/34μm的光點尺寸(spot size)，如圖所示，在光點尺寸在聚焦深度為46μm和34μm時變得不可接受的大，而光點尺寸越大，調製轉換函數(modulation transfer function)表現變得越差，因此，需要開發一新的間隙壁結構，使得例如聚焦深度的厚度變化在容許範圍內，以得到整個晶片更佳的光學均勻度的表現。
除了上述的缺點，由間隙壁406和黏著劑402形成的複合結構沒有足夠的強度抵抗張應力或是壓應力、熱量和剪切力，而在圖2A接合步驟後的工藝在環境測試中可能會導致晶片碎裂或是剝離。
因此，對於例如數字影像元件的光電元件，需要改進晶片級晶片尺寸封裝(WLCSP)方法，提供更結實的間隙壁結構，且更精準的控制間隙壁厚度。
發明內容
本發明的第一目的為提供一光電元件晶片，可更精確地通過一堅固的複合間隙壁結構控制光學聚焦。本發明的第二目的為提供上述具有堅固的複合間隙壁結構的光電元件晶片的製造方法以抵抗嚴格的環境測試。本發明的第三目的為提供一光電元件晶片，可在其上表面提供外部電性連接。
本發明提供一種光電元件晶片。在一元件基底上提供一光電元件。一複合間隙壁鄰接光電元件，且連接一上封裝層和元件基底，其中複合間隙壁包括一黏性材料和多個散布於黏性材料中的粒子。
本發明提供一種光電元件晶片，包括一元件基底；一光電元件，設置於該元件基底上；一上封裝層；及一複合間隙壁，鄰接該光電元件，且連接該上封裝層和該元件基底，其中該複合間隙壁包括一黏性材料和多個散布於該黏性材料中的粒子。
根據所述的光電元件晶片，其中該上封裝層的底部表面和該元件基底的頂部表面的間距為一目標間距增加或是減去一相關光學系統的聚焦深度。
根據所述的光電元件晶片，其中該黏性材料包括可在紫外光下固化的光致抗蝕劑材料，且該粒子由聚合物或是樹脂組成。
根據所述的光電元件晶片，其中該複合間隙壁具有異嚮導電性。
根據所述的光電元件晶片，其中該黏性材料是一絕緣黏性材料，且該粒子具有導電性。
根據所述的光電元件晶片，還包括一導電墊，位於該上封裝層的底部表面。
根據所述的光電元件晶片，還包括一導電層，至少位於該上封裝層中，且連接該導電墊。
本發明提供一種光電元件晶片的製造方法，包括下列步驟。首先，提供一上封裝層，並在上封裝層的底部表面的預定位置提供一複合材料。接著，提供一元件基底，其上形成有一光電元件，貼合上封裝層和元件基底。接著，使複合材料變成固體結構，其中複合材料包括一黏性材料和多個散布於黏性材料中的粒子。
根據所述的光電元件晶片的製造方法，其中該上封裝層的底部表面和該元件基底的頂部表面的間距為一目標間距增加或是減去一相關光學系統的聚焦深度。
根據所述的光電元件晶片的製造方法，其中該黏性材料包括可在紫外光下固化的光致抗蝕劑材料，且該粒子由玻璃、聚合物或是樹脂組成。
根據所述的光電元件晶片的製造方法，其中該固體結構具有異嚮導電性。
根據所述的光電元件晶片的製造方法，其中該黏性材料是一絕緣黏性材料，且該粒子具有導電性。
根據所述的光電元件晶片的製造方法，還包括在該上封裝層中提供一穿孔；且至少在該穿孔中形成一導電層，以電性連接該固體結構。
根據所述的光電元件晶片的製造方法，還包括提供一導電墊，介於該複合材料和該上封裝層的底部表面之間，且該導電層經由該導電墊電性連接該固體結構。
本發明的光電元件晶片及其製造方法提供整個晶片間均勻的間距，以較佳地控制光電元件的光特性，並且，該方法形成的間隙壁以可對於應力或是其它因素有良好的抵抗性，尤其是，該工藝提供將光電元件電性連接另一外部電路的另一選擇從光電元件晶片的頂部表面連接。
圖1揭示一種公知晶片級晶片尺寸封裝(WLCSP)的方法。
圖2A至圖2E是一種公知晶片級晶片尺寸封裝的工藝步驟。
圖3A至圖3C揭示本發明一實施例晶片級晶片尺寸封裝(WLCSP)工藝的剖面圖。
圖4A至圖4D揭示本發明一實施例製作晶片級晶片尺寸封裝(WLCSP)工藝的後續步驟。
圖5A至圖5C揭示本發明另一實施例晶片級晶片尺寸封裝(WLCSP)工藝的剖面圖。
圖6A至圖6E揭示本發明又另一實施例晶片級晶片尺寸封裝(WLCSP)工藝的剖面圖。
圖7顯示由於不均勻厚度造成光點尺寸變動的範例。
其中，附圖標記說明如下100 透明上基底；101 黏凸塊；102 粒子； 103 黏性材料；104 元件基底； 105 光電元件；106 導電墊；112 間隙壁；113 黏性材料； 114 底封裝層；115 電性接觸； 116 凸塊；204 元件基底； 205 光電元件；206 導電墊；210 穿孔；220 導電層；222 保護層；300 透明上基底；301 黏性凸塊；302 導電粒子； 303 黏性材料；304 元件基底； 305 光電元件；306 導電墊；307 導電墊；312 間隙壁；320 導電層；322 金錫墊；400 基底；402 膠黏劑；404 其它基底；405 腔體； 406 複合間隙壁；407 薄分隔部分；408 樹脂層；410 封裝層；412 電性接觸；414 凸塊具體實施方式
圖3A至圖3C為本發明一優選實施例的剖面圖，其揭示封裝例如影像傳感器的光電元件晶片的晶片級晶片尺寸封裝(WLCSP)工藝。請參照圖3A，提供一元件基底104，其上形成有例如影像傳感器的光電元件105晶片。多個導電墊106鄰近於上述元件105，導電墊的尺寸可依照電路或是製造工藝需要設計，元件105和導電墊106可使用例如金屬氧化物半導體(CMOS)工藝製作於基底上。一用作上封裝層的透明上基底100設置於元件基底104上方，如圖所示，多個黏凸塊101設置於透明上基底100上，而這些黏凸塊101由尚未轉換成固態的複合材料所組成，其中複合材料包括黏性材料103和多個散布於黏性材料103中的粒子102，黏性材料103優選是可以紫外光照射固化的光聚合物或是樹脂，粒子102可以是用聚合物或樹脂形成。在附圖中，粒子102概要的繪示為圓形剖面，但其也可為其它形狀，特別是，粒子102可大體上為球狀、橢圓狀、盒狀或是纖維狀。複合材料可散布於基底100上，或是通過網版印刷形成於基底100上。
之後，請參照圖3B，通過黏性材料103將上基底100和元件基底104貼合，在該貼合步驟中，粒子102用於在兩個基底間定義整個晶片間均勻的間距，兩個基底間實際間距由元件設計決定，但對於影像感測晶片，其間距一般介於10μm～50μm，在本發明的實施例中，間距的變化範圍約介於1％～2.5％，其不超過數值孔徑(FNo)等於例如2.8的相關光學系統的聚焦深度，且其甚至可適用於像素尺寸相對小的影像傳感器。
請參照圖3C，當黏性材料103是光聚合物材料，則在後續步驟進行一固化工藝以使黏性材料103變成固態，並且複合材料變成固體間隙壁112，當黏性材料103是由其它材料組成，則應進行其它步驟以固化黏性材料，例如乾燥工藝。
上述優選實施例提供整個晶片的均勻間距，且因此，可更精準的控制光電元件例如光聚焦的光特性，特別是，該工藝所形成的複合間隙壁112相比於公知技術的壓合結構比較不會因應力或是其它因素損壞。
在圖3C之後，以下揭示另外製作晶片級晶片尺寸封裝(WLCSP)工藝的方法，圖4A至圖4D揭示其一實施範例，首先，請參照圖4A，在固化步驟之後，研磨元件基底104，且以蝕刻工藝刻化基底。在刻化步驟之後，請參照圖4B，在基底104的底部表面塗布黏性材料113，且將其貼合於一底封裝層114。接著，請參照圖4C，再一次對晶片的底部表面進行刻化(例如以切割工藝)，且於其上形成電性接觸115和凸塊116，之後，可沿著虛線切割晶片，以形成多個封裝光電元件晶片，如圖4D所示。
另外，不同於圖4A至圖4D的實施例，本實施於圖5A至圖5C採用穿孔(through-hole)內連線工藝，首先，請參照圖5A，將一已進行圖3A至圖3C工藝步驟的晶片進行一研磨步驟和一蝕刻步驟，如此元件基底204會蝕刻出穿孔210，而到達鄰接光電元件205的導電墊206，在該穿孔內連線工藝中，導電墊206不必須延伸至間隙壁下方。之後，請參照圖5B，進行一電鍍工藝，將導電墊206的底部和穿孔210的側壁覆蓋導電層220，附圖中的導電層220完全填滿穿孔210，但本發明不限於此，導電層也可不完全填滿穿孔，也即，將導電層220覆蓋導電墊206的底部和至少穿孔210的部分側壁即可，之後，形成一保護層222於晶片的底部側。接著，請參照圖5C的範例，依序進行一凸塊底金屬(Under bump metal，UBM)形成工藝和一球柵陣列(Ballgrid array，BGA)形成工藝，凸塊底金屬(UBM)形成工藝和球柵陣列(BGA)形成工藝為所屬領域技術人員所公知，在此為簡潔，不詳細描述。最後在晶片上形成球柵陣列，且可將其切割成多個晶片(未示出)。
以下在圖6A至圖6E揭示本發明另一優選實施例，首先，請參照圖6A，提供一元件基底304，包括光電元件305和導電墊306，將一用作上封裝層的透明上基底300放置於元件基底304上方，上基底300也形成有多個對應於導電墊306的導電墊307，每一導電墊307上形成有黏性凸塊301，而凸塊301由異向性導電黏性材料所組成，其包括一絕緣黏性材料303和散布於絕緣黏性材料303中的導電粒子302，絕緣黏性303材料可由熱固性環氧化物或是聚合物所組成，導電粒子302可以是在包括聚合物或是樹脂的核心表面塗布例如金屬層的導電層。在附圖中，導電粒子302概要的繪示為圓形剖面，但是其也可以為其它形狀，特別是，導電粒子102可大體上為球狀、橢圓狀、盒狀或是纖維狀，異向性導電黏性材料可散布於基底300上，或是以網版印刷方法形成於基底300上。
之後，請參照圖6B，通過絕緣黏性材料303將上基底300和元件基底304貼合，在該貼合步驟中，導電粒子302用作定義兩基板間整個晶片的均勻間距，據此，可將間距變化控制在1％～2.5％之間，另外，導電粒子302也用做電性連接導電墊306和導電墊307，須注意的是，因為異向性導電黏性材料具有異向性導電特性，導電粒子不提供任何側向的傳導。
請參照圖6C，以例如熱工藝固化絕緣黏性材料303，如此，非等向性導電黏性材料變成固體間隙壁312，請注意，上述步驟不限於熱工藝，其也可依照非等向性導電黏性材料中的絕緣黏性材料303組成決定。
之後，請參照圖6D，蝕刻上基底300以形成多個穿孔，並進行一電鍍工藝以形成導電層320，覆蓋穿孔的側壁和底部，導電層320於圖中完全填滿穿孔，但本發明不限於此，導電層320也可不完全填滿穿孔，也即，將導電層覆蓋導電墊的底部和至少穿孔的部分側壁即可。之後，請參照圖6E，形成金或是金錫所組成的墊322於導電層320的頂部表面。
在圖6E之後，可進行例如卷帶的傳統工藝，以將一軟性電路板(flexibleprinted circuit，以下可簡稱FPC)貼合於晶片上，軟性電路板(FPC)可通過超音波能量(ultra-sonic energy)或是紅外線回流(infrared reflow)等公知的方法貼合於上封裝層的墊上。接著，可將製成的晶片切割成多個晶片(未示出)，以製作出封裝的光電元件晶片。
上述優選的實施例提供整個晶片間均勻的間距，以較佳地控制光電元件的光特性，並且，該工藝形成的間隙壁312以可對於應力或是其它因素有良好的抵抗性，尤其是，該工藝提供將光電元件電性連接另一外部電路的另一選擇從光電元件晶片的頂部表面連接。
雖然本發明已以優選實施例揭示如上，然而其並非用以限定本發明，所屬領域技術人員，在不脫離本發明的精神和範圍內，可作些許的更動與潤飾，因此本發明的保護範圍應當視後附的權利要求所界定的範圍為準。
權利要求
1.一種光電元件晶片，包括一元件基底；一光電元件，設置於該元件基底上；一上封裝層；及一複合間隙壁，鄰接該光電元件，且連接該上封裝層和該元件基底，其中該複合間隙壁包括一黏性材料和多個散布於該黏性材料中的粒子。
2.如權利要求1所述的光電元件晶片，其中該上封裝層的底部表面和該元件基底的頂部表面的間距為一目標間距增加或是減去一相關光學系統的聚焦深度。
3.如權利要求1所述的光電元件晶片，其中該黏性材料包括可在紫外光下固化的光致抗蝕劑材料，且該粒子由聚合物或是樹脂組成。
4.如權利要求1所述的光電元件晶片，其中該複合間隙壁具有異嚮導電性。
5.如權利要求4所述的光電元件晶片，其中該黏性材料是一絕緣黏性材料，且該粒子具有導電性。
6.如權利要求4所述的光電元件晶片，還包括一導電墊，位於該上封裝層的底部表面。
7.如權利要求6所述的光電元件晶片，還包括一導電層，至少位於該上封裝層中，且連接該導電墊。
8.一種光電元件晶片的製造方法，包括提供一上封裝層；在該上封裝層的底部表面的預定位置提供一複合材料；提供一元件基底，其上形成有一光電元件；貼合該上封裝層和該元件基底；及使該複合材料變成固體結構，其中該複合材料包括一黏性材料和多個散布於該黏性材料中的粒子。
9.如權利要求8所述的光電元件晶片的製造方法，其中該上封裝層的底部表面和該元件基底的頂部表面的間距為一目標間距增加或是減去一相關光學系統的聚焦深度。
10.如權利要求8所述的光電元件晶片的製造方法，其中該黏性材料包括可在紫外光下固化的光致抗蝕劑材料，且該粒子由玻璃、聚合物或是樹脂組成。
11.如權利要求8所述的光電元件晶片的製造方法，其中該固體結構具有異嚮導電性。
12.如權利要求11所述的光電元件晶片的製造方法，其中該黏性材料是一絕緣黏性材料，且該粒子具有導電性。
13.如權利要求11所述的光電元件晶片的製造方法，還包括在該上封裝層中提供一穿孔；且至少在該穿孔中形成一導電層，以電性連接該固體結構。
14.如權利要求13所述的光電元件晶片的製造方法，還包括提供一導電墊，介於該複合材料和該上封裝層的底部表面之間，且該導電層經由該導電墊電性連接該固體結構。
全文摘要
本發明提供一種光電元件晶片及其製造方法。該光電元件晶片中一光電元件設置於一元件基底上，包括一鄰接光電元件的複合間隙壁，且連接一上封裝層和元件基底，其中複合間隙壁包括一黏性材料和多個散布於黏性材料中的粒子。在一實施例中，粒子具有導電性，黏性材料具有絕緣性，如此，複合間隙壁為異方向性導電。本發明的光電元件晶片及其製造方法提供整個晶片間均勻的間距，以較佳地控制光電元件的光特性，並且形成的間隙壁對於應力或是其它因素有良好的抵抗性。
文檔編號H01L21/50GK101079398SQ20071008878
公開日2007年11月28日 申請日期2007年3月22日 優先權日2006年5月22日
發明者李孝文, 戎柏忠, 林孜翰, 林孜穎, 張家揚, 林建邦 申請人:採鈺科技股份有限公司