专利名称：光电元件芯片及其制造方法
技术领域：
本发明关于一种光电元件芯片，且特别是关于一种具有复合间隙壁结构的光电元件芯片，和一种具有复合间隙壁结构的光电元件芯片的制造方法。
背景技术：
现今数字影像元件已广泛的使用于许多电子产品，举例来说，数字影像元件可以使用于数字相机、数字录像机、具有拍照功能的移动电话和安全控制监视器等等。
数字影像元件通常包括光电元件芯片，例如CCD影像感测芯片或是CMOS影像感测芯片，而这种影像感测芯片可采用称为晶片级芯片尺寸封装(Wafer level chip scale package，以下可简称WLCSP)的先进封装技术进行封装。在传统的封装技术中，先将具有微元件的晶片切割成多个芯片，再将芯片封装，其中微元件可例如为电子元件、微机电元件或是光电元件。然而，例如影像传感器的微元件，可使用晶片级芯片尺寸封装(WLCSP)技术，使其在晶片级进行封装，举例来说，微元件可以在其仍为晶片阶段时进行封装。
Badehi申请的美国专利第6,777,767号揭示一种晶片级芯片尺寸封装(WLCSP)的方法，如图1所示，准备一包括基底400和复合间隙壁406的封装层，间隙壁406由例如环氧化物为基础的光致抗蚀剂材料所组成，且将光致抗蚀剂材料图形化以形成如图所示的结构。
请参照图2A至图2E，施加黏着剂402于邻接间隙壁406和间隙壁406间的位置，如此，封装层可和包括多个微元件的另一基底404贴合。接着，请参照图2B，在贴合之后，研磨和蚀刻基底404以形成薄分隔部分407，且定义出位于上基底400和基底404之间的腔体405。接着，请参照图2C，通过一树脂层408将一下封装层410黏合于上述结构。请参照图2D，以机械方法将封装层410和树脂层408刻出凹口，之后，在其上形成电性接触412和凸块414。接着，请参照图2E，沿着虚线切割所形成的结构，以形成多个封装芯片。
然而，不同于其它电子元件和微机电元件，在应用上述晶片级芯片尺寸封装(WLCSP)技术对例如数字影像元件的光电元件进行封装时，有一独特的考虑腔体405的高度对于光电元件的光特性是非常关键的，在一数字影像元件芯片中，由于腔体405的高度是覆盖玻璃和聚焦平面间的距离，因此需准确地控制该距离，以最佳化光特性。在一数字影像元件芯片中，厚度的容许度应是不超过聚焦深度的范围，而其依照有关影像元件芯片的光学系统的像素尺寸和数值孔径(FNo)决定，举例来说，在一数值孔径等于2.8的光学系统中，一3.6μm传感器(例如像素尺寸为3.6μm)的聚焦深度约为10.08μm；一2.2μm传感器的聚焦深度约为6.16μm；一1.8μm传感器的聚焦深度约为5.04μm；一1.2μm传感器的聚焦深度约为3.36μm。
然而，根据Badehi的发明，腔体405的高度由间隙壁406和黏着剂402的复合厚度所决定，其中间隙壁406是由黄光光刻工艺形成，须注意的是，形成间隙壁406的光致抗蚀剂不同于用于图形化半导体基底电路层的光致抗蚀剂层(其厚度一般在1μm范围)，如此厚的光致抗蚀剂层可能会导致严重的均匀性的问题，一般来说，因为旋转涂布工艺和光致抗蚀剂黏性的因素，光致抗蚀剂厚度会有晶片间±(10％～20％)的变化，换句话说，对于40μm目标厚度的间隙壁，其可能会有±4μm～±8μm厚度的变化，因为当像素尺寸小于2.2μm可能会导致严重的失焦(defocus)的问题，如此大的变化是不可接受的，举例来说，图7显示在一像素尺寸为1.8μm且目标厚度为40μm的案例中聚焦深度分别为46/43/40/37/34μm的光点尺寸(spot size)，如图所示，在光点尺寸在聚焦深度为46μm和34μm时变得不可接受的大，而光点尺寸越大，调制转换函数(modulation transfer function)表现变得越差，因此，需要开发一新的间隙壁结构，使得例如聚焦深度的厚度变化在容许范围内，以得到整个晶片更佳的光学均匀度的表现。
除了上述的缺点，由间隙壁406和黏着剂402形成的复合结构没有足够的强度抵抗张应力或是压应力、热量和剪切力，而在图2A接合步骤后的工艺在环境测试中可能会导致晶片碎裂或是剥离。
因此，对于例如数字影像元件的光电元件，需要改进晶片级芯片尺寸封装(WLCSP)方法，提供更结实的间隙壁结构，且更精准的控制间隙壁厚度。
发明内容
本发明的第一目的为提供一光电元件芯片，可更精确地通过一坚固的复合间隙壁结构控制光学聚焦。本发明的第二目的为提供上述具有坚固的复合间隙壁结构的光电元件芯片的制造方法以抵抗严格的环境测试。本发明的第三目的为提供一光电元件芯片，可在其上表面提供外部电性连接。
本发明提供一种光电元件芯片。在一元件基底上提供一光电元件。一复合间隙壁邻接光电元件，且连接一上封装层和元件基底，其中复合间隙壁包括一黏性材料和多个散布于黏性材料中的粒子。
本发明提供一种光电元件芯片，包括一元件基底；一光电元件，设置于该元件基底上；一上封装层；及一复合间隙壁，邻接该光电元件，且连接该上封装层和该元件基底，其中该复合间隙壁包括一黏性材料和多个散布于该黏性材料中的粒子。
根据所述的光电元件芯片，其中该上封装层的底部表面和该元件基底的顶部表面的间距为一目标间距增加或是减去一相关光学系统的聚焦深度。
根据所述的光电元件芯片，其中该黏性材料包括可在紫外光下固化的光致抗蚀剂材料，且该粒子由聚合物或是树脂组成。
根据所述的光电元件芯片，其中该复合间隙壁具有异向导电性。
根据所述的光电元件芯片，其中该黏性材料是一绝缘黏性材料，且该粒子具有导电性。
根据所述的光电元件芯片，还包括一导电垫，位于该上封装层的底部表面。
根据所述的光电元件芯片，还包括一导电层，至少位于该上封装层中，且连接该导电垫。
本发明提供一种光电元件芯片的制造方法，包括下列步骤。首先，提供一上封装层，并在上封装层的底部表面的预定位置提供一复合材料。接着，提供一元件基底，其上形成有一光电元件，贴合上封装层和元件基底。接着，使复合材料变成固体结构，其中复合材料包括一黏性材料和多个散布于黏性材料中的粒子。
根据所述的光电元件芯片的制造方法，其中该上封装层的底部表面和该元件基底的顶部表面的间距为一目标间距增加或是减去一相关光学系统的聚焦深度。
根据所述的光电元件芯片的制造方法，其中该黏性材料包括可在紫外光下固化的光致抗蚀剂材料，且该粒子由玻璃、聚合物或是树脂组成。
根据所述的光电元件芯片的制造方法，其中该固体结构具有异向导电性。
根据所述的光电元件芯片的制造方法，其中该黏性材料是一绝缘黏性材料，且该粒子具有导电性。
根据所述的光电元件芯片的制造方法，还包括在该上封装层中提供一穿孔；且至少在该穿孔中形成一导电层，以电性连接该固体结构。
根据所述的光电元件芯片的制造方法，还包括提供一导电垫，介于该复合材料和该上封装层的底部表面之间，且该导电层经由该导电垫电性连接该固体结构。
本发明的光电元件芯片及其制造方法提供整个晶片间均匀的间距，以较佳地控制光电元件的光特性，并且，该方法形成的间隙壁以可对于应力或是其它因素有良好的抵抗性，尤其是，该工艺提供将光电元件电性连接另一外部电路的另一选择从光电元件芯片的顶部表面连接。
图1揭示一种公知晶片级芯片尺寸封装(WLCSP)的方法。
图2A至图2E是一种公知晶片级芯片尺寸封装的工艺步骤。
图3A至图3C揭示本发明一实施例晶片级芯片尺寸封装(WLCSP)工艺的剖面图。
图4A至图4D揭示本发明一实施例制作晶片级芯片尺寸封装(WLCSP)工艺的后续步骤。
图5A至图5C揭示本发明另一实施例晶片级芯片尺寸封装(WLCSP)工艺的剖面图。
图6A至图6E揭示本发明又另一实施例晶片级芯片尺寸封装(WLCSP)工艺的剖面图。
图7显示由于不均匀厚度造成光点尺寸变动的范例。
其中，附图标记说明如下100 透明上基底；101 黏凸块；102 粒子； 103 黏性材料；104 元件基底； 105 光电元件；106 导电垫；112 间隙壁；113 黏性材料； 114 底封装层；115 电性接触； 116 凸块；204 元件基底； 205 光电元件；206 导电垫；210 穿孔；220 导电层；222 保护层；300 透明上基底；301 黏性凸块；302 导电粒子； 303 黏性材料；304 元件基底； 305 光电元件；306 导电垫；307 导电垫；312 间隙壁；320 导电层；322 金锡垫；400 基底；402 胶黏剂；404 其它基底；405 腔体； 406 复合间隙壁；407 薄分隔部分；408 树脂层；410 封装层；412 电性接触；414 凸块具体实施方式
图3A至图3C为本发明一优选实施例的剖面图，其揭示封装例如影像传感器的光电元件芯片的晶片级芯片尺寸封装(WLCSP)工艺。请参照图3A，提供一元件基底104，其上形成有例如影像传感器的光电元件105芯片。多个导电垫106邻近于上述元件105，导电垫的尺寸可依照电路或是制造工艺需要设计，元件105和导电垫106可使用例如金属氧化物半导体(CMOS)工艺制作于基底上。一用作上封装层的透明上基底100设置于元件基底104上方，如图所示，多个黏凸块101设置于透明上基底100上，而这些黏凸块101由尚未转换成固态的复合材料所组成，其中复合材料包括黏性材料103和多个散布于黏性材料103中的粒子102，黏性材料103优选是可以紫外光照射固化的光聚合物或是树脂，粒子102可以是用聚合物或树脂形成。在附图中，粒子102概要的绘示为圆形剖面，但其也可为其它形状，特别是，粒子102可大体上为球状、椭圆状、盒状或是纤维状。复合材料可散布于基底100上，或是通过网版印刷形成于基底100上。
之后，请参照图3B，通过黏性材料103将上基底100和元件基底104贴合，在该贴合步骤中，粒子102用于在两个基底间定义整个晶片间均匀的间距，两个基底间实际间距由元件设计决定，但对于影像感测芯片，其间距一般介于10μm～50μm，在本发明的实施例中，间距的变化范围约介于1％～2.5％，其不超过数值孔径(FNo)等于例如2.8的相关光学系统的聚焦深度，且其甚至可适用于像素尺寸相对小的影像传感器。
请参照图3C，当黏性材料103是光聚合物材料，则在后续步骤进行一固化工艺以使黏性材料103变成固态，并且复合材料变成固体间隙壁112，当黏性材料103是由其它材料组成，则应进行其它步骤以固化黏性材料，例如干燥工艺。
上述优选实施例提供整个晶片的均匀间距，且因此，可更精准的控制光电元件例如光聚焦的光特性，特别是，该工艺所形成的复合间隙壁112相比于公知技术的压合结构比较不会因应力或是其它因素损坏。
在图3C之后，以下揭示另外制作晶片级芯片尺寸封装(WLCSP)工艺的方法，图4A至图4D揭示其一实施范例，首先，请参照图4A，在固化步骤之后，研磨元件基底104，且以蚀刻工艺刻化基底。在刻化步骤之后，请参照图4B，在基底104的底部表面涂布黏性材料113，且将其贴合于一底封装层114。接着，请参照图4C，再一次对晶片的底部表面进行刻化(例如以切割工艺)，且于其上形成电性接触115和凸块116，之后，可沿着虚线切割晶片，以形成多个封装光电元件芯片，如图4D所示。
另外，不同于图4A至图4D的实施例，本实施于图5A至图5C采用穿孔(through-hole)内连线工艺，首先，请参照图5A，将一已进行图3A至图3C工艺步骤的晶片进行一研磨步骤和一蚀刻步骤，如此元件基底204会蚀刻出穿孔210，而到达邻接光电元件205的导电垫206，在该穿孔内连线工艺中，导电垫206不必须延伸至间隙壁下方。之后，请参照图5B，进行一电镀工艺，将导电垫206的底部和穿孔210的侧壁覆盖导电层220，附图中的导电层220完全填满穿孔210，但本发明不限于此，导电层也可不完全填满穿孔，也即，将导电层220覆盖导电垫206的底部和至少穿孔210的部分侧壁即可，之后，形成一保护层222于晶片的底部侧。接着，请参照图5C的范例，依序进行一凸块底金属(Under bump metal，UBM)形成工艺和一球栅阵列(Ballgrid array，BGA)形成工艺，凸块底金属(UBM)形成工艺和球栅阵列(BGA)形成工艺为所属领域技术人员所公知，在此为简洁，不详细描述。最后在晶片上形成球栅阵列，且可将其切割成多个芯片(未示出)。
以下在图6A至图6E揭示本发明另一优选实施例，首先，请参照图6A，提供一元件基底304，包括光电元件305和导电垫306，将一用作上封装层的透明上基底300放置于元件基底304上方，上基底300也形成有多个对应于导电垫306的导电垫307，每一导电垫307上形成有黏性凸块301，而凸块301由异向性导电黏性材料所组成，其包括一绝缘黏性材料303和散布于绝缘黏性材料303中的导电粒子302，绝缘黏性303材料可由热固性环氧化物或是聚合物所组成，导电粒子302可以是在包括聚合物或是树脂的核心表面涂布例如金属层的导电层。在附图中，导电粒子302概要的绘示为圆形剖面，但是其也可以为其它形状，特别是，导电粒子102可大体上为球状、椭圆状、盒状或是纤维状，异向性导电黏性材料可散布于基底300上，或是以网版印刷方法形成于基底300上。
之后，请参照图6B，通过绝缘黏性材料303将上基底300和元件基底304贴合，在该贴合步骤中，导电粒子302用作定义两基板间整个晶片的均匀间距，据此，可将间距变化控制在1％～2.5％之间，另外，导电粒子302也用做电性连接导电垫306和导电垫307，须注意的是，因为异向性导电黏性材料具有异向性导电特性，导电粒子不提供任何侧向的传导。
请参照图6C，以例如热工艺固化绝缘黏性材料303，如此，非等向性导电黏性材料变成固体间隙壁312，请注意，上述步骤不限于热工艺，其也可依照非等向性导电黏性材料中的绝缘黏性材料303组成决定。
之后，请参照图6D，蚀刻上基底300以形成多个穿孔，并进行一电镀工艺以形成导电层320，覆盖穿孔的侧壁和底部，导电层320于图中完全填满穿孔，但本发明不限于此，导电层320也可不完全填满穿孔，也即，将导电层覆盖导电垫的底部和至少穿孔的部分侧壁即可。之后，请参照图6E，形成金或是金锡所组成的垫322于导电层320的顶部表面。
在图6E之后，可进行例如卷带的传统工艺，以将一软性电路板(flexibleprinted circuit，以下可简称FPC)贴合于晶片上，软性电路板(FPC)可通过超音波能量(ultra-sonic energy)或是红外线回流(infrared reflow)等公知的方法贴合于上封装层的垫上。接着，可将制成的晶片切割成多个芯片(未示出)，以制作出封装的光电元件芯片。
上述优选的实施例提供整个晶片间均匀的间距，以较佳地控制光电元件的光特性，并且，该工艺形成的间隙壁312以可对于应力或是其它因素有良好的抵抗性，尤其是，该工艺提供将光电元件电性连接另一外部电路的另一选择从光电元件芯片的顶部表面连接。
虽然本发明已以优选实施例揭示如上，然而其并非用以限定本发明，所属领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围应当视后附的权利要求所界定的范围为准。
权利要求
1.一种光电元件芯片，包括一元件基底；一光电元件，设置于该元件基底上；一上封装层；及一复合间隙壁，邻接该光电元件，且连接该上封装层和该元件基底，其中该复合间隙壁包括一黏性材料和多个散布于该黏性材料中的粒子。
2.如权利要求1所述的光电元件芯片，其中该上封装层的底部表面和该元件基底的顶部表面的间距为一目标间距增加或是减去一相关光学系统的聚焦深度。
3.如权利要求1所述的光电元件芯片，其中该黏性材料包括可在紫外光下固化的光致抗蚀剂材料，且该粒子由聚合物或是树脂组成。
4.如权利要求1所述的光电元件芯片，其中该复合间隙壁具有异向导电性。
5.如权利要求4所述的光电元件芯片，其中该黏性材料是一绝缘黏性材料，且该粒子具有导电性。
6.如权利要求4所述的光电元件芯片，还包括一导电垫，位于该上封装层的底部表面。
7.如权利要求6所述的光电元件芯片，还包括一导电层，至少位于该上封装层中，且连接该导电垫。
8.一种光电元件芯片的制造方法，包括提供一上封装层；在该上封装层的底部表面的预定位置提供一复合材料；提供一元件基底，其上形成有一光电元件；贴合该上封装层和该元件基底；及使该复合材料变成固体结构，其中该复合材料包括一黏性材料和多个散布于该黏性材料中的粒子。
9.如权利要求8所述的光电元件芯片的制造方法，其中该上封装层的底部表面和该元件基底的顶部表面的间距为一目标间距增加或是减去一相关光学系统的聚焦深度。
10.如权利要求8所述的光电元件芯片的制造方法，其中该黏性材料包括可在紫外光下固化的光致抗蚀剂材料，且该粒子由玻璃、聚合物或是树脂组成。
11.如权利要求8所述的光电元件芯片的制造方法，其中该固体结构具有异向导电性。
12.如权利要求11所述的光电元件芯片的制造方法，其中该黏性材料是一绝缘黏性材料，且该粒子具有导电性。
13.如权利要求11所述的光电元件芯片的制造方法，还包括在该上封装层中提供一穿孔；且至少在该穿孔中形成一导电层，以电性连接该固体结构。
14.如权利要求13所述的光电元件芯片的制造方法，还包括提供一导电垫，介于该复合材料和该上封装层的底部表面之间，且该导电层经由该导电垫电性连接该固体结构。
全文摘要
本发明提供一种光电元件芯片及其制造方法。该光电元件芯片中一光电元件设置于一元件基底上，包括一邻接光电元件的复合间隙壁，且连接一上封装层和元件基底，其中复合间隙壁包括一黏性材料和多个散布于黏性材料中的粒子。在一实施例中，粒子具有导电性，黏性材料具有绝缘性，如此，复合间隙壁为异方向性导电。本发明的光电元件芯片及其制造方法提供整个晶片间均匀的间距，以较佳地控制光电元件的光特性，并且形成的间隙壁对于应力或是其它因素有良好的抵抗性。
文档编号H01L21/50GK101079398SQ20071008878
公开日2007年11月28日 申请日期2007年3月22日 优先权日2006年5月22日
发明者李孝文, 戎柏忠, 林孜翰, 林孜颖, 张家扬, 林建邦 申请人:采钰科技股份有限公司