利用TSV技术实现GaAs图像传感器的圆片级封装方法

摘要

本发明涉及一种利用硅通孔(TSV)技术实现砷化镓(GaAs)图像传感器圆片级封装的方法。其特征在于其步骤包括：机械加工与湿法腐蚀配合使用加工出凹槽；在凹槽中制作一树脂绝缘层；然后用激光方法在树脂上制作通孔；槽内和通孔内电镀，实现晶片正面电极的背部引出；做钝化层和焊料凸点。整个工艺过程在圆片级完成，在降低封装成本的基础上具有较高的互连密度。同时，制作的互连结构具有较高的可靠性。

权利要求

1.一种利用TSV技术实现砷化镓图像传感器的圆片级封装的方法，其特征在于首先将图像传感器晶片键合到一透明基板上，随后利用机械加工与湿法腐蚀配合使用的方法在晶片的背面加工出凹槽，同时在凹槽底部暴露出焊盘电极；第二步是在凹槽中制作一树脂绝缘层；并使用激光加工方法在绝缘层上制作通孔，通孔穿透焊盘电极；第三步是制作金属种子层、通孔和槽内电镀；最后制作钝化层和焊料凸点；具体的工艺步骤为：A.圆片键合

（a）在图像传感晶片的正面制作焊盘电极，焊盘电极分布在传感单元周边，晶片材料为GaAs，厚度为350μm；

（b）在图像传感晶片的正面与一透明基板键合，使用BCB作为粘结剂；

B.在晶片上制作凹槽

（a）使用划片机在晶片的背面制作凹槽，凹槽的深度为200-300μm；宽度为

250-350μm；

（b）使用9H3PO4-1H2O2-20H2O溶液腐蚀凹槽，至露出正面电极；

C.在凹槽内制作绝缘层和通孔

（a）采用喷胶的方法在晶片表面制作绝缘层，绝缘层材料选用环氧树脂，厚度为

5-10μm；

（b）使用激光加工方法在凹槽内的绝缘层上制作通孔结构，通孔的深度为20-30μm；

通孔穿透晶圆正面的焊盘电极；

D.在凹槽和通孔内制作金属互连层

（a）晶片背面溅射一层种子层TiW/Cu,其中Ti/W作为黏附层，Cu为种子层；

（b）在种子层上喷涂上一层光刻胶，后曝光、显影，得到光刻胶图形；

（c）腐蚀金属种子层，得到金属种子层图形，然后去胶；

（d）电镀铜，以填充通孔和制作槽内互连线；

E.钝化与凸点制作

（a）在步骤D完成的基础上，在圆片背面旋涂上一层环氧树脂，作为钝化层；钝化层厚度为5-10μm；

（b）在有电极的使用等离子刻蚀的方法开口，使露出电极；

（c）使用SB2-Jet激光植球设备在电极上制备铟凸点。

2.按权利要求1所述的方法，其特征在于步骤A中（b）的键合温度为200-230℃，粘合剂厚度为15-25μm。

3.按权利要求1所述的方法，其特征在于步骤B中的凹槽形状为梯形，倾斜角度为60度。

4.按权利要求1所述的方法，其特征在于步骤C中通孔穿透焊盘的深度为5μm。

5.按权利要求1或4所述的方法，其特征在于步骤C中通孔直径为30-50μm，沿凹槽方向的间距为40-60μm。

6.按权利要求1所述的方法，其特征在于：a)所述的凹槽深度为250μm；宽度为300μm；

b)所述的通孔沿凹槽方向的间距为50μm。

7.按权利要求1、3或6所述的方法，其特征在于开槽是采用梯形刀刃的刀具加工的。

说明书

利用TSV技术实现GaAs图像传感器的圆片级封装方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种利用TSV技术实现砷化镓(GaAs)图像传感器的圆片级封装方法。属于图像传感器封装制造领域。

背景技术

[0002] 一般而言，图像传感器是一种半导体模块，它是用以将一光学图像转换成电子信号，并且存储图像信号和将其传输至一显示装置。

[0003] 随着信息技术的发展，图像传感模块越来越广泛地应用到了数字移动产品中，尤其是蜂窝手机，其市场也保持增长了多年。然而，随着半导体行业微型化、多功能的趋势和市场上的持续竞争，新一代的移动产品对图像传感模块有着更高的要求，例如小外形和低成本。传统的图像传感模块封装，例如板上芯片技术(Chip On Board，COB)和覆晶柔性电路板技术(Chip On Flexible，COF)，由于封装方法的限制很难满足这些要求。圆片级封装技术(Wafer Level Packaging，WLP)为满足这种要求提供了很好的解决途径。

[0004] 所述的WLP技术是指，在芯片未被切割的情况下在晶片级完成整个封装工序，如塑封、引线焊接和封装测试等，切割后得到封装好的最终产品，被认为是下一代的芯片尺寸封装技术(Chip Size Packaging，CSP)。将它应用到图像传感器封装领域，WLP技术具有小尺寸、高性能和低成本的优势。在该技术中，为了从图像传感器正面的焊盘引导背面实现电连接，几种结构被开发了出来，如T型连接和TSV(Through silicon Via)。

[0005] 图1是显示Tessera制造该图像传感器封装的WLCSP(Wafer Level Chip Size Packaging)截面构造图。

[0006] 如图1所示，在晶片101的正面上形成多个图像传感器组件(如图像传感单元102和一焊盘电极103)；将该晶片以树脂105粘合到透明基板104上。刻蚀晶片101形成凹槽106，随后灌胶、在背面键合基板114，从背面开槽、后沉积金属连线、形成T型连接109，并制作外部电极110。最后沿切割线115处切割该晶片，得到多个封装好的芯片。此后，通过一预设的制程，便可组成一图像装置模块，例如摄像机。

[0007] 然而，上述晶片级封装后的结构后续经过切割步骤分成多个封装集成电路元件后，T型连接的一段暴露在外界，易受湿气穿透，从而遭受到腐蚀及剥离等可靠性问题发生。因此，这种形式的封装往往无法通过高温/高湿度测试等可靠性测试而失效。同时，在上述的制造方法中，由于该T-型连接109的连接面积很小，很可能发生龟裂，同样易造成连接接头的可靠性问题。

[0008] WLP的另一种实现方式是TSV技术。由于采用垂直互连，TSV技术可以大幅度地缩短电互连长度，从而减小了信号延迟，提高了电性能。同时，TSV技术可以轻易地实现三维堆叠封装，因此被作为高性能三维高密度封装的主要技术手段。由于可以实现正面电极的背面引出，且具有高密度、小体积的特点，近年来被应用到了图像传感器的封装领域。

[0009] 目前加工硅通孔互连结构的主要工艺方法为：利用Bosch反应离子刻蚀-感应耦合等离子体方法在晶圆表面刻蚀盲孔；用化学气相沉积氧化物或氮化物钝化在硅表面形成绝缘层；金属化硅通孔，采用铜电镀的方法填充硅通孔，用化学机械抛光移除多余的铜电镀层；背面磨削晶圆，暴露出铜导体层，完成通孔结构。

[0010] 然而，如上所述，这种技术使用了诸如RIE、CVD和CMP等工艺，使得成本高昂，因而只使用在高端产品，不适合低端产品应用。同时，基板与铜结构之间只有一层很薄的绝缘层，使得TSV互连形成了很高的电容，有时甚至超过了标准引线互连方式的电容值。工艺中使用了等离子干法刻蚀的方法，整个器件暴露在离子的轰击之下，容易造成器件的失效，尤其是对离子轰击敏感的器件，如GaAs图像传感器

发明内容

[0011] 本发明的目的是提供一种具有较高可靠性的图像传感器的封装的硅通孔结构；以克服上述T型连接可靠性差的问题。

[0012] 本发明的目的在于提供一种利用TSV技术实现GaAs图像传感器圆片级封装方法，以克服常规TSV方法成本高，TSV间形成的电容值较低、信号延时较小，同时对器件不存在辐照损伤；同时克服现有的T型连接可靠性差的问题。

[0013] 本发明所采取的技术方案是：首先将图像传感器晶片键合到一透明基板上，随后利用机械加工与湿法腐蚀配合使用的方法在晶片的背面加工出凹槽，同时在凹槽底部暴露出焊盘电极；然后在凹槽中做一树脂绝缘层；其后使用激光加工在绝缘层上制作通孔，通孔穿透焊盘电极；接着做金属种子层、通孔和槽内电镀；最后做钝化层和焊料凸点。

[0014] 本发明的具体工艺步骤为：

[0015] A.圆片键合

[0016] (a)在图像传感晶片的正面制作焊盘电极，焊盘电极分布在传感单元周边，晶片材料为GaAs，厚度为300-400μm；

[0017] (b)在图像传感晶片的正面与一透明基板键合，使用BCB作为粘结剂。

[0018] B.在晶片上制作凹槽

[0019] (a)使用划片机在晶片的背面制作凹槽，凹槽的深度为200-300μm；宽度为250-350μm；

[0020] (b)使用9H3PO4-1H2O2-20H2O溶液腐蚀凹槽，至露出正面电极。

[0021] C.在凹槽内制作绝缘层和通孔

[0022] (a)采用喷胶的方法在晶片表面制作绝缘层，绝缘层材料选用环氧树脂，厚度为5-10μm；

[0023] (b)使用激光在凹槽内的绝缘层上制作通孔结构，通孔的深度为25-30μm，通孔穿透晶圆正面的焊盘电极。

[0024] D.在凹槽和通孔内制作金属互连层

[0025] (a)晶片背面溅射一层种子层TiW/Cu，其中Ti/W作为黏附层，Cu为种子层；种子层厚度为5-10μm；

[0026] (b)在种子层上喷涂上一层光刻胶，后曝光、显影，得到光刻胶图形；

[0027] (c)腐蚀金属种子层，得到金属种子层图形，然后去胶；

[0028] (d)电镀铜，以填充通孔和制作槽内互连线。

[0029] E.钝化与凸点制作

[0030] (a)在步骤D完成的基础上，在圆片背面旋涂上一层环氧树脂，作为钝化层；

[0031] (b)在有电极的使用等离子刻蚀的方法开口，使露出电极；

[0032] (c)使用SB2-Jet激光植球设备在电极上制备铟凸点。

[0033] 由上述制作工艺提供的图像传感器圆片级封装硅通孔的封装结构的特征是：

[0034] (1)凹槽形状为梯形，倾斜角度为60度，深度为200-300μm；优先250μm；

[0035] (2)通孔穿透焊盘，穿透的深度为5μm；整个通孔的深度为20-30μm；

[0036] (3)激光制作的通孔直径为30-50μm，优先为40μm，沿凹槽方向的间距为40-60μm，优先为50μm；

[0037] 本发明的实际效果是在制作的硅通孔结构的基础上实现了图像传感器的圆片级封装，该图像传感器封装模块具有较小的体积和较高的封装可靠性。利用激光加工方法在环氧树脂上制作的通孔结构具有较小的电容值和较小的信号延迟，同时实现了较高的互连密度。整个制作工艺对器件无辐照损伤，且与IC工艺过程兼容，具有低成本优势。

附图说明

[0038] 图1是显示Tessera公司图像传感器的WLCSP封装的截面构造图。

[0039] 图2至图10显示的是图像传感器封装工序截面构造图，其是本发明的一较佳实施例。

[0040] 其中：图2GaAs图像传感器单元芯片；图3键合；图4开槽加工；图5腐蚀凹槽；图6形成绝缘层；图7激光加工通孔；图8溅射种子层；图9制作钝化层；图10制作铟凸点的UBM层。

具体实施方式

[0041] 为了能使本发明的优点和积极效果得到充分体现，下面结合附图和实施例对本发明实质性特点和显著的进步作进一步说明。

[0042] 参考图2，GaAs图像传感器晶片1包含数个芯片，经过预设的制程，在每个芯片正面形成有图像传感组件，包括形成图像传感单元2及焊盘电极3。焊盘电极3分布在图像传感单元周边非功能区，选用的材料可以是铝、金或铜。图像传感器的使用波段为可见光范围，晶片厚度为350μm。

[0043] 其后，参考图3，将晶片片1键合到一透明基板5上。基板起到透光、防止外界污染和免遭机械损伤的作用，同时为随后的工艺提供机械支撑。键合采用粘合剂BCB键合，粘合剂4涂敷在晶片与透明基板中间，厚度为20μm，在键合机中采用热固化，固化温度为200℃。

[0044] 参考图4，在基板背面进行开槽加工，加工出凹槽6。凹槽的位置与正面的焊盘对应。这里开槽的方法采用的是机械开槽，使用的设备为划片机，采用特制的具有梯形刀刃的刀具。加工出的槽的宽度优先为300μm，深度优先为250μm；为了防止机械加工中的温升，在机械加工的同时，使用冷却液进行冷却，冷却液为去离子水。

[0045] 然后，参考图5，采用湿法腐蚀的方法对凹槽进行腐蚀，至露出焊盘为止。腐蚀液为9H3PO4-1H2O2-20H2O溶液体系，腐蚀时间为6-8h，腐蚀厚度为80-120μm。垂直晶片的方向为<100>晶向，根据各向异性的腐蚀原则，最后腐蚀得到的凹槽14。由于是晶片整体腐蚀，晶片的整体厚度也将变薄，整体厚度为250μm。相比机械加工开槽的方法，湿法腐蚀得到的边壁更光滑，对周围材料的影响深度较小，由于接近晶片正面的功能区(传感单元区)，此处采用湿法腐蚀可以最小化对器件功能区的影响。由于晶片较厚(350μm)，若单独使用湿法腐蚀得到通孔，则晶片背部开口占空较大，限制了互连密度。

[0046] 其后，参考图6，采用喷涂的方法在晶片上涂上一层树脂作为凹槽内绝缘层7，厚度为8μm左右，树脂材料是环氧树脂。

[0047] 参考图7，使用YAG激光器制作通孔8。控制激光的功率和能量，使孔穿透晶圆正面的焊盘电极，穿透深度为5μm，整个通孔的深度为20-30μm，通孔顶部直径为30-50μm，底部约为20-40μm。延槽的方向，孔间距40-60μm。

[0048] 其次，参考图8，在晶片上溅射一层金属种子层TiW/Cu，其中Ti/W作为黏附层，Cu为种子层；之后，在种子层上制作掩膜，对种子层进行刻蚀、去胶，实现种子层的图案化，随后在种子层电镀一层8μm厚的铜，得到槽内引线和通孔内金属填充。通孔内金属与晶圆正面焊盘电极相交之处为电极接点9，由于通孔与焊盘在孔的四周均连接，接触面积比较大，因此相对于传统的N型连接具有更高的可靠性。

[0049] 然后，参考图9，利用旋涂树脂的方法制作钝化层12，同时将凹槽填充。制作的钝化层要保证背面的平坦度，这样有助于在基板上制作焊料凸点和图像传感器封装体与下一级封装的连接。钝化层的材料为环氧树脂，旋涂厚度为5-15μm。

[0050] 最后，参考图10，光刻1.7μm的S1912光刻胶，露出需要开口的地方。使用反应2
离子刻蚀(RIE)对环氧树脂层进行开口，开口尺寸为40X40μm，刻蚀完成后使用丙酮去胶，刻蚀气体为SF6和C4F8。溅射Ti/Pt/Au(30nm/20nm/100nm)金属薄膜作为铟凸点的UBM层；
使用SB2-Jet激光植球设备在UBM层上制备铟凸点。