专利名称：一种具有双层基板的影像感测器封装结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种影像感测器封装结构，特别涉及一种含有晶粒嵌入双层基板的影像感测器封装结构。
背景技术：
在半导体元件的领域中，随着元件尺寸不断地缩小，元件密度也不断地提高。在封装或是内部连线方面的技术需求也必须要提高以符合上述情况。传统上，在覆晶连接方法(flip-chip attachment method)中，一焊料凸块阵列形成于上述晶粒的表面。上述焊料凸块的形成可以藉由使用一焊接复合材料(solder composite material),经过一焊接点遮罩(solder mask)来制造出所要的焊料凸块图案。晶片封装的功能包含功率传送(powerdistribution)、讯号传送(signal distribution)、散热(heat dissipation)、保护与支撑等等。当半导体变的更复杂，传统的封装技术，例如导线架封装(lead frame package)、收缩式封装(flex package)、硬式封装技术(rigid package technique),已无法满足在一个更小的晶片上制造高密度元件的需求。当半导体变的更复杂，传统的封装技术，例如导线架封装(lead frame package)、收缩式封装(flex package)、硬式封装技术(rigid packagetechnique)，已无法满足在一个更小的晶片上制造高密度元件的需求。今日的封装技术的发展趋势是朝向球状矩阵排列(BGA, ball grid array)、覆晶(FC-BGA, flip-chip)、晶片尺寸封装(CSP, chip scale package)和晶圆级封装(WL-CSP, wafer level chip scalepackage)。现今影像感测器广泛使用在数位相机、手机、行动电话及其他应用。在制造影像感测器的技术上，特别是CMOS影像感测器，都有很大的进步。举例而言，对于高解析度及低功率消耗的需求，都促使影像感测器朝最小化及整合方面迈进。在绝大部分的影像感测器常使用一种称为孔扎式光电二极体(pinnedphotodiode)及嵌入式光电二极体(buried photodiode)的光电二极体，因为这种光电二极体有较低的杂讯表现。这种光电二极体结构的正极层通常是嵌入该光电二极体的表面或是下方而接近一传输闸(transfer gate),而负极层则是嵌入一娃系基板较深的位置,这种嵌入式层可储存电荷并远离表面区域，意即可避免该硅系基板表面的缺陷，而正极层的目的则是在于提供光电二极体有增加的储存容量及钝化在光电二极体表面的缺陷。有许多影像感测器晶片使用覆晶式封固结构，都企图发展将影像感测器封装架构简单化。美国专利6，144，507揭露一种直接将影像感测器晶片封固于印刷电路板(PCB，printed circuit board)上的技术。—影像感测晶片藉由覆晶式封固结构封固在PCB里的一个孔洞上，及一透明盖体也直接附加在该晶片的主动侧表面或是粘合在该影像感测晶片封固在该PCB里孔洞上的相对侧。虽然这些方法都省略引线焊接的困难处，然而该PCB为了符合该影像感测晶片及该透明盖体的尺寸，该PCB的尺寸通常会非常大。美国专利5，786，589揭露一种胶粘标签片状物于玻璃基板上及胶粘一影像感测晶片及一导电薄膜至该标签片。因为标签片导线的缘故，所以这种设计需要一种特殊的基板附接技术。再者，该导电薄膜可能会干扰该影像感测晶片上的感测电路及需要形成一虚拟配线或是坝体结构来弥补这个问题。美国专利6，885，107揭露一种传统影像感测晶片封装结构。其采用一种在基板底层具有多个焊锡球及该晶粒外露于基板的BGA封装。根据该发明所提供的影像感测器封装结构的制作具有前述及其他的有利特点及方法。一影像感测晶片利用一覆晶方式安装在一透明基板的一第一表面上的导电迹线。该影像晶片的主动面则藉由安装后在该影像晶片的主动面及该基板的该第一表面的周围空间沉积封胶珠来保护避免污染，因此省略了先前技术另外所需的坝体结构或间隔框架。分散的传导元件如焊锡球及柱状物则粘附在该导电迹线末端而形成一阵列图形，该分散的传导元件从该第一表面上的该导电迹线横向外扩至大致上超过该影像感测晶片的一背表面的共用平面。这样的结构包含了一种BOC (board-on-chip)的封装排列。但由于该结构的焊锡球高度及该押出模接受结构而让该基板厚度无法减小而限制了封装结构的尺寸的缩小。先前技术形成该影像感测晶片封装具有复杂的过程，以及该封装结构太高及无法被缩减。此外，这些先前技术仅揭露单晶片的封装并无说明多晶片的结构。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种具有双层基板的影像感测器封装结构，其具有预先形成穿透孔洞及晶粒接受开口的双层基板。本发明的另一目的在于提供一种具有晶粒开口窗的双层基板的影像感测器封装结构，用以改善装置的可靠性及缩减装置的尺寸。本发明的又一目的在于提供一种具有利用铜箔基板及电镀铜金或铜镍金的合金金属可增加电性传导形成的布线图位于双层基板下方及上方的影像感测器封装结构。为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的:
一种具有双层基板的影像感测器封装结构，包含一具有晶粒接受开口的第一基板及多个第一穿透孔洞，其穿透该第一基板；一第二基板，其形成于该第一基板之上，其中该第一基板具有一第一布线图及一第二布线图，其形成于该第一基板的下方及上方表面，而该第二基板具有一第三布线图及一第四布线图，其形成于该第二基板的下方及上方表面，部分的第二布线图与部分的第三布线图耦合；一影像晶粒其包含一导电垫及一接收感测阵列，其中该晶粒接受开口及该感测阵列窗暴露于该晶粒开口窗及一穿透孔洞导电材料，用以填充于该多个第二穿透孔洞，其中该多个第二穿透孔洞中的部分孔洞与该影像晶粒的导电垫耦合。—光学玻璃基板，其形成于该第二基板及该晶粒开口窗之上。一透镜固定架包含一透镜，其形成于该光学玻璃基板之上，及其中该透镜与该影像感测晶粒对齐。一红外线滤波器，其形成于该透镜固定架之内。一被动式晶粒及/或一主动式晶粒，其形成于该第二基板之上，其中该主动式晶粒包含:晶片尺寸封装、圆级晶片尺寸封装、球状矩阵排列及覆晶晶粒。另外，该多个第一穿透孔洞的至少一侧壁包含传导金属。该穿透孔洞导电材料，包含金属或合金，如焊锡及异向性导电膜。一含有一透镜的透镜固定架，其形成于该第二基板之上，其中该透镜与该影像感测晶粒对齐。一红外线滤波器，其形成于该透镜固定架之内。一被动式晶粒，其形成于该第二基板之上。一主动式晶粒，其形成于该第二基板之上。该主动式晶粒包含:晶片尺寸封装、圆级晶片尺寸封装、球状矩阵排列及覆晶晶粒。该多个第一穿透孔洞的至少一侧壁包含一传导金属。该穿透孔洞导电材料，包含金属或合金或异方性导电膜。该第一基板及该第二基板材料，包含耐高温环氧玻璃纤维板(FR5)或FR4。另外，该第一基板及该第二基板材料，包含双马来酰亚胺三氮杂苯树脂、硅系、印刷电路板材料、玻璃、陶瓷、金属或合金。本发明所提供的具有双层基板的影像感测器封装结构，具有以下优点:其具有预先形成穿透孔洞及晶粒接受开口的双层基板。具有晶粒开口窗的双层基板的影像感测器封装结构，能够改善封装结构的可靠性及缩减封装结构的尺寸。利用铜箔基板及电镀铜金或铜镍金的合金金属可增加电性传导形成的布线图位于双层基板下方及上方的影像感测器封装结构。
图1为根据本发明绘示一第一基板、一第二基板及影像感测器连结前的截面图。图2为根据本发明绘示第一基板与具有晶粒开口的第二基板组合的截面图。图3为根据本发明绘示第一基板接受晶粒的截面图。图4为根据本发明绘示形成焊锡球于穿透孔洞的截面图。
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图5为根据本发明绘示第二基板的附属玻璃基板的截面图。图6为根据本发明绘示透镜固定架形成于该第二基板之上的截面图。图7为根据本发明绘示另一实施例的截面图。主要组件符号说明
100第一基板
101第一布线图 102第二布线图 103传导穿透孔 104第二基板 105晶粒接受开口 106第三布线图 106a第四布线图 107晶粒开口窗 120晶粒(晶片)
121导电垫 122感测阵列 159传导穿透孔 159a传导穿透孔 160光学玻璃元件 162导电材料 164黏附材料 180主动(被动)元件 182透镜固定架 184光学透镜 186可挠式印刷电路板 188红外线滤波器。
具体实施例方式下面结合附图及本发明的实施例对本发明的具有双层基板的影像感测器封装结构及方法作进一步详细的说明。如图6及图7所示，本发明揭露一种晶粒(或多晶片)嵌入式基板结构及在两侧表面建构双层结构，及说明一系统封装结构的剖面图，其包含一具有晶粒嵌入的双层基板及被动元件，及根据本发明在顶端建构层及在相对侧的接脚，以球状矩阵排列(BGA，ballgrid array)、覆晶(FC-BGA, flip-chip)、晶片尺寸封装(CSP, chip scale package)和晶圆级封装(WL-CSP, wafer level chip scale package)等做表面贴装。一影像感测器封装结构，其包含一第一基板100，其中该第一基板100更包含一第一布线图101位于该第一基板上表面,及一第二布线图102位于该第二基板下表面。一传导穿透孔103可穿透该第一基板100用以与该第一布线图101及该第二布线图102连结。该第一基板100具有一晶粒接受开口 105用以接受一晶粒/晶片120，该一晶粒/晶片120具有一感测阵列122形成于其中。该晶粒(影像感测器)120包含一传导(如铝或金)垫121(输入输出垫)形成于其中。该晶粒120暴露于该第一基板100的晶粒接受开口 105中。一第二基板104其形成于该第一基板100上,该第二基板104包含一晶粒开口窗107、一第三布线图106位于该第二基板104上表面及一第四布线图106a位于该第二基板104下表面。该第三布线图106连结至该第一布线图101。一传导穿透孔159可穿透该第二基板104及连结该第一布线图101。另一传导穿透孔洞159a可穿透该第二基板104及连结该影像感测器120的传导(如铝或金)垫121。该传导穿透孔159、159a可以传导材料填充，如金属或合金。在一例子中可以焊锡或异向性导电膜形成。在一实施例，该传导穿透孔洞159a连结至该晶粒传导垫121。一光学玻璃基板160藉由一黏附材料164粘附于该第二基板104上。至少一主动或被动兀件180焊接于该第二基板104上表面的第四布线图106a。前述的系统封装构造建构了一个栅格阵列(land grid array package-LGA)形式的封装结构,其省略焊锡球来缩减封装结构的厚度。该第一基板101及该第二基板104的材料以有机基板例如环氧树脂(耐高温玻璃纤维板(FR5)、双马来酰亚胺三氮杂苯树脂(BT))以及印刷电路板为佳。该第一基板100与该第二基板104的热膨胀系数与主机板(印刷电路板)一样为佳。上述有机基板以具有高玻璃转换温度(Tg)的环氧树脂(耐高温环氧玻璃纤维板、双马来酰亚胺三氮杂苯树脂)为佳，上述材料可以轻易地形成电路图案以及内部连线穿孔中。金属铜的热膨胀系数大约为16，也可应用于第一与第二基板材料之中。而玻璃、陶瓷以及硅也可用来当作基板。上述粘着材料122以硅橡胶基弹性材料为佳。上述环氧树脂(耐高温玻璃纤维板、双马来酰亚胺三氮杂苯树脂)的有机基板的热膨胀系数在X、Y方向约为1Γ17，在Z方向约为3(Γ60如此可以降低粘着材料在温度固化过程中晶粒位移问题。在本发明之一实施例中，布线层102、101、106、106a的材料包含:铜镍金的合金及，或，铜镍的合金；该布线层厚度为5 um至25 um(如果有需要时，其厚度可超过25um)。铜箔基板(copper clad laminated)亦如金属晶种层以层叠形成,而该铜/镍合金及铜/镍/金合金以电镀形成；利用电镀制程所成形的布线层有足够的厚度及较佳的机械特性，能在温度循环和机械弯曲中承受热膨胀系数不匹配的问题。该传导垫可为金或铜/金或招或及其组合。在本发明之一实施例中，如图1所不，一第一基板100包含一传导布线图101形成于该第一基板的上表面，及一传导布线图102形成于该第一基板100的下表面。该布线图101及该布线图102包含以铜箔基板及电镀形成的电镀铜或铜镍金的合金金属。该晶粒120具有一传导(招或金)垫121 (输入输出垫)形成于其中。该晶粒120暴露于该第一基板100的晶粒接受开口 105中。一第二基板104其形成于该第一基板100上，该第二基板104包含一晶粒开口窗107、一第三布线图106位于该第二基板104上表面及一第四布线图106a位于该第二基板104下表面。本发明形成影像感测器封装的封装方法，如图1所示，包含准备一第一基板100及一第二基板104(较佳为FR4/FR5/BT系列材料的有机基板)及该第一基板具有布线电路102及101，分别形成于该第一基板100的上表面及下表面。该布线图106a及106则分别形成于该第二基板104的上表面及下表面。该基板中的101、102、106a及106层可以电镀形成的电镀铜或铜/镍/金合金金属形成。该连结传导穿透孔103可以穿透该第一基板100形成。如图1及图2所示,该第一基板100具有一预先形成的晶粒接受开口 105及该晶粒开口窗107亦为预先形成，该晶粒接受开口 105藉由雷射切割或机械冲压(多骰冲床)，其开口尺寸大于该晶粒，其开口每边比晶粒的大小增加约100ιιπΓ200ιιπι。如图2所示，该第二基板104黏附(附着性胶膜)在该第一基板100。下一步骤，如图3所示，则是将该影像感测器120设置于该晶粒接受开口 105及该藉由晶粒/基板校准工具将感测区域122外露于该第二基板104上的晶粒开口窗107。而下一步骤，则是形成该导电材料162 (如焊接剂)于该第二基板104的该传导穿透孔159、159a。该填充步骤可形成于该第二基板104粘附于该第一基板100之前。IR回焊制程则是于该焊接剂流向穿透孔床新填充焊接剂后执行，及在穿透孔159a中连接至该传导垫121。当焊接剂162重新回填至该该穿透孔159、159a，该玻璃基板160随后藉由该粘附材料164形成于该第二基板104之上当做另外一可选择的封装方法。该主动或被动装置180亦粘附(表面贴装，SMT)在如图5所示层上，接着如图6所示，具有一透镜184的透镜固定架182，其粘附于该第二基板104之上并与该影像感测晶粒120对齐。该第一基板100可藉由焊 接剂或异向性导电膜(ACF)粘附在软性电路板186上。该光学透镜高度则视其光学表现及物理参数而定。如图7所示，一红外线滤波器188可形成于该透镜固定架182之内(该红外线滤波器188可以该玻璃基板160置换)。
该被动元件180可为电容或电阻，而另以晶圆级封装(WL_CSP，wafer level chipscale package)、晶片尺寸封装(CSP, chip scale package)、覆晶(FC-BGA, flip-chip)和球状矩阵排列(BGA,ball grid array)的晶粒亦可安装在该第二基板104的顶端电路上。因此建构至少两晶片可一起嵌入里面，及具有传导穿透孔用以作为电子讯号内部连结。所有的传导穿透孔159、159a及103可以CNC或雷射钻孔形成。本系统影像感测晶片封装结构及制程皆比欠缺揭露多晶片及双层结构的传统影像感测晶片封装来的简单。而本系统影像感测晶片封装结构厚度可以容易控制，并可消除在制程中会造成晶片移位的问题。并可以省略射出成型工具；也不须导入化学机械研磨制程及本制程也不会产生翘曲。该基板为一具有预先形成晶粒开口窗、内部连结穿透孔的预先准备基板；该晶粒开口窗尺寸等于该晶粒尺寸每边增加大约IOOum至200um ;藉由填充弹性核心胶体，上述开口可以作为应力缓冲释放区域，吸收由硅晶粒与基板(耐高温玻璃纤维板/双马来酰亚胺三氮杂苯树脂)之间热膨胀系数不匹配，所造成的热应力。此外，也可以在晶粒与基板侧壁间隙之间填充弹性介电材料，以吸收由热膨胀系数不匹配所造成的机械弯曲及/或热应力。由于同时在上表面与底表面施加上述简单增层，故可增加封装生产率(减少制造周期)。该晶粒及基板(即该第一基板及该第二基板)粘合在一起。上述封装与主机板(母板)级封装的可靠度也比以前更好。特别对主机板级封装温度循环测试而言，由于基板与印刷电路板(母板)的热膨胀系数一致，故不会有任何施加于焊锡凸块/球的热机械应力；对主机板级封装机械弯曲测试而言，支撑机械强度的基板底侧可以吸收基板上侧的晶粒区域与边界区域的应力。以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。
权利要求
1.一种具有双层基板的影像感测器封装结构，其特征在于，其包含: 一第一基板，其包含:一晶粒接受开口，及多个第一穿透孔洞，其穿透该第一基板；一第二基板，形成于该第一基板之上，其包含:一晶粒开口窗，及多个第二穿透孔洞，其穿透该第二基板； 该第一基板，包含:一第一布线图，其形成于该第一基板的下表面，及 一第二布线图，其形成于该第一基板的上表面； 该第二基板，包含:一第三布线图，其位于该第二基板的下表面，及一第四布线图，其位于该第二基板的上表面； 该第二布线图部分与该第三布线图部分耦合；一影像感测晶粒，其包含:一导电垫，及一接收感测阵列；该晶粒接受开口及该接收感测阵列暴露于该晶粒开口窗；一穿透孔洞导电材料，用以填充于该多个第二穿透孔洞，其中该多个第二穿透孔洞中的部分孔洞与该导电垫耦合。
2.按权利要求1所述的具有双层基板的影像感测器封装结构，其特征在于，更包含: 一光学玻璃基板，其形成于该第二基板及该晶粒开口窗之上。
3.按权利要求2所述的具有双层基板的影像感测器封装结构，其特征在于，更包含: 一透镜固定架，其包含: 一透镜，其形成于该光学玻璃基板之上，及 其中该透镜与该影像感测晶粒对齐。
4.按权利要求3所述的具有双层基板的影像感测器封装结构，其特征在于，更包含: 一红外线滤波器，其形成 于该透镜固定架之内。
5.按权利要求1所述的具有双层基板的影像感测器封装结构，其特征在于，更包含: 一含有一透镜的透镜固定架，其形成于该第二基板之上，其中该透镜与该影像感测晶粒对齐。
6.按权利要求5所述的具有双层基板的影像感测器封装结构，其特征在于，更包含: 一红外线滤波器，其形成于该透镜固定架之内。
7.按权利要求1所述的具有双层基板的影像感测器封装结构，其特征在于，更包含:一被动式晶粒，其形成于该第二基板之上。
8.按权利要求7所述的具有双层基板的影像感测器封装结构，其特征在于，更包含:一主动式晶粒，其形成于该第二基板之上。
9.按权利要求8所述的具有双层基板的影像感测器封装结构，其特征在于，其中: 该主动式晶粒包含:晶片尺寸封装、圆级晶片尺寸封装、球状矩阵排列及覆晶晶粒。
10.按权利要求1所述的具有双层基板的影像感测器封装结构，其特征在于，其中: 该多个第一穿透孔洞的至少一侧壁包含一传导金属。
11.按权利要求1所述的具有双层基板的影像感测器封装结构，其特征在于，其中: 该穿透孔洞导电材料，包含金属或合金或异方性导电膜。
12.按权利要求11所述的具有双层基板的影像感测器封装结构，其特征在于，其中: 该穿透孔洞导电材料，包含焊锡。
13.按权利要求1所述的具有双层基板的影像感测器封装结构，其特征在于，其中: 该第一基板及该第二基板材料，包含FR4或耐高温环氧玻璃纤维板FR5。
14.按权利要求1所述的具有双层基板的影像感测器封装结构，其特征在于，其中: 该第一基板及该第二基板材料，包含双马来酰亚胺三氮杂苯树脂、硅系、印刷电路板材料、玻璃、陶瓷、金属或合金。
15.按权利要求1所述的具有双层基板的影像感测器封装结构，其特征在于，其中: 该第一布线图、该第二布线图、该第三布线图及该第四布线图，包含以铜箔基板及电镀形成的电镀铜或 铜镍金的合金金属。
全文摘要
本发明提供一种具有双层基板的影像感测器封装结构，其包含一含有晶粒接受开口的第一基板，其包含多个第一穿透孔洞，其穿透该第一基板；一第二基板，形成于该第一基板之上，其包含一晶粒开口窗及多个第二穿透孔洞，其穿透该第二基板；部分的第二布线图与部分的第三布线图耦合；一影像晶粒其包含一导电垫及一接收感测阵列，其中该晶粒接受开口及该感测阵列窗暴露于该晶粒开口窗；及一穿透孔洞导电材料，用以填充于该多个第二穿透孔洞，其中该多个第二穿透孔洞中的部分孔洞与该影像晶粒的导电垫耦合。
文档编号H01L27/146GK103094291SQ201210220408
公开日2013年5月8日 申请日期2012年6月29日 优先权日2011年11月4日
发明者杨文焜 申请人:金龙国际公司