專利名稱：具晶粒三維堆疊結構的影像感測模塊的制作方法
技術領域：
本發明關于一種影像感測模塊的構裝結構；特別是有關于一種具晶粒 三維堆疊結構的影像感測模塊構裝結構。
背景技術：
影像傳感器已經被廣泛的應用在照相手機、照相機、醫療診斷與保安 監視方面，其中應用在可攜式產品與醫療產品時，輕薄短小與減少能量損 耗并降低制造成本一直是市場的殷切需求。己知的影像傳感器構裝結構有 以下幾種美國專利第6, 646， 289號圖11A揭露一種影像傳感器的晶圓級 封裝結構，利用一重分布導線層(Redistributed layer)將導線從晶粒邊緣 重分布到晶背，并用兩層玻璃夾住該影像傳感器；美國專利第5,051,802 號圖3揭露一種影像傳感器，將影像傳感器磨得非常薄，以致于從晶背即 可感光；美國專利第7,061， 106號圖1揭露一種影像感測模塊，利用一插 入元件(interposer)將一影像傳感器與其它晶粒作電性連接，并且將透鏡 元件連接于該插入元件上方；美國專利第6,429,036號圖2揭露一種影像 傳感器，將保護該影像傳感器的上蓋基材鉆孔形成電性導通孔，以將電路 外引，再利用錫球或金屬層接合方式將該上蓋基材與該影像傳感器作電性 連接。上述傳統影像傳感器構裝方式是采用半導體二維晶粒構裝與線路連接 方式，不僅電性連接距離較長，整體組裝模塊也占據較大面積，己經不符 合未來產品朝輕薄短小、省電與高效能發展的需求趨勢。因此，若將二維 的晶粒導線布局方式改為三維的連接方式，將可以克服傳統二維構裝方式所遭遇的技術缺陷。 發明內容本發明所要解決的技術問題是提供一種具晶粒三維堆疊結構的影像感 測模塊，通過至少一影像感測晶粒內的垂直導線與其下方的至少一影像處 理晶粒建立垂直與水平的電性連接，以縮短該影像感測模塊的電性連接距 離，并于該影像感測模塊背面形成錫球凸塊，使該影像感測模塊直接組裝 于一電路板上。本發明提供的一種具晶粒三維堆疊結構的影像感測模塊，包括至少一 個影像感測晶粒、至少一個影像處理晶粒、 一透光基材及多數個導電性焊 墊。該影像感測晶粒與該影像處理晶粒是上下堆疊接合，其中該影像感測 晶粒的一感測面朝上，該影像感測晶粒具有多數條垂直導線，借此以與該 影像處理晶粒建立垂直與水平的電性導通。該透光基材形成于該影像感測 晶粒的該感測面上方，該些導電性焊墊形成于該影像感測模塊背面。根據上述方案，本發明的效果是顯著的本發明上述的影像感測模塊 為具有晶圓級構裝架構及晶粒三維堆疊結構，可縮短該影像感測模塊的電 性連接距離及降低該影像感測模塊的整體組裝面積及高度，進而有效增加 單位面積的元件密度。本發明前述的影像感測模塊也可結合并堆疊無線射頻元件(RFcomponent)、發光二極管元件、天線等主、被動元件，以進一步提供無線 傳輸與自我照明的功能。
圖1A至圖II為本發明具晶粒三維堆疊結構的影像感測模塊的第一具 體實施例的各工藝步驟對應的結構截面示意圖。圖2為本發明具晶粒三維堆疊結構的影像感測模塊的第一具體實施例 的結構截面示意圖。圖3為本發明具晶粒三維堆疊結構的影像感測模塊的第二具體實施例的結構截面示意圖。圖4為本發明具晶粒三維堆疊結構的影像感測模塊的第三具體實施例 的結構截面示意圖。圖5為本發明具晶粒三維堆疊結構的影像感測模塊的第四具體實施例 的結構截面示意圖。圖6為本發明具晶粒三維堆疊結構的影像感測模塊的第五具體實施例 的結構截面示意圖。圖7為本發明具晶粒三維堆疊結構的影像感測模塊的第六具體實施例 的結構截面示意圖。圖8為本發明具晶粒三維堆疊結構的影像感測模塊的第七具體實施例 的結構截面示意圖。圖9為本發明具晶粒三維堆疊結構的影像感測模塊的第八具體實施例 的結構截面示意圖。圖10為本發明具晶粒三維堆疊結構的影像感測模塊的第九具體實施例 的結構截面示意圖。圖11為本發明具晶粒三維堆疊結構的影像感測模塊的第十具體實施例 的結構截面示意圖。圖12為本發明具晶粒三維堆疊結構的影像感測模塊的第十一具體實施 例的結構截面示意圖。主要元件符號對照說明10----------透光基材 12—--影像傳感器晶片12a、 901-—影像感測晶粒 14—--影像處理晶粒16、 19------絕緣層材料 18----保護層20、 30、 40、 50、 60、 70、 80、 90、 100、 110、 120——具晶粒三維堆 疊結構的影像感測模塊101---------黏著層121—-一感光區域122-------金屬層123—-一金屬焊墊丄24-------一-導通孔142—---晶粒黏著薄膜工43-------一-焊墊161、162—一介層洞163、 164—-一垂直、水平導電性內連線165—一重分布導線層166-------一-水平電性連接182—一-錫球焊墊開口183--------一導電性焊墊184—-一錫球凸塊902--------一存儲器903—---無線電頻元件904-------_ 被動元件905—-一系統芯片晶粒906--------一發光二極管元件907—---導光通道908----------透鏡元件909—---天線結構具體實施方式
本發明具晶粒三維堆疊結構的影像感測模塊利用三維晶圓級構裝的制 造方式完成。以下就一實施例舉例說明本發明具晶粒三維堆疊結構的影像 感測模塊的晶圓級構裝制造方法。圖2為本發明具晶粒三維堆疊結構的影像感測模塊的第一具體實施例 的結構截面示意圖。圖1A至圖II為圖2的具晶粒三維堆疊結構的影像感 測模塊20的各工藝步驟對應的結構截面示意圖。首先，參見圖1A，分別提 供一透光基材10與一影像傳感器晶片12。該透光基材10可以是一玻璃基 材或高分子基材。該影像傳感器晶片12包含多數個影像感測晶粒12a，例 如CMOS影像感測晶粒，每一該影像感測晶粒12a具有一感光區域121及多 數個金屬層122形成于其上表面，以及多數個金屬焊墊123，例如鋁墊，分別形成于一該金屬層122下方該影像感測晶粒12a中，并與該金屬層122 電性接觸。本發明利用黏著層101將該透光基材10下表面與該影像傳感器 晶片12上表面接合在一起，該黏著層101可以是無機材料、高分子材料或 它們組合成的材料，以形成圖IB的結構，該透光基材10用以保護每一該 影像感測晶粒12a。接著，仍參見圖1B，利用研磨方式(grinding)薄化該 影像傳感器晶片12的背面。參見圖1C，利用晶粒黏著薄膜((3ie attach film) 142將多數個影像處理晶粒14以正面朝上的方式分別堆疊接合于每一該影 像感測晶粒12a下表面。每一該影像處理晶粒14的下表面形成有多數個焊 墊143。參見圖1D，利用激光鉆孔或蝕刻方式于該影像傳感器晶片12內形 成多數個導通孔(Through Silicon Via, TSV) 124，每一該導通孔124貫 通該影像傳感器晶片12直至一該金屬層122。參見圖1E，將一絕緣層材料 16以涂布或壓合方式內埋該些影像處理晶粒14，并且該絕緣層材料16填 入該影像傳感器晶片12的該些導通孔124內。參見圖1F，形成多數個介層 洞161及162，每一該介層洞161貫通該絕緣層材料16與該影像傳感器晶 片12的一該導通孔124直至該金屬層122。每一該介層洞162穿經該絕緣 層材料16直至每一該影像處理晶粒14的一該焊墊143。接著，參見圖1G， 以濺鍍或無電極電鍍方式或電鍍方式將導電性材料例如金屬填入該些介層 洞161及162內，以形成垂直導電性內連線163及水平導電性內連線164, 并同時于該絕緣層材料16的表面形成重分布導線層(redistributed layer) 165，進而建立每一該影像感測晶粒12a與一該影像處理晶粒14的焊墊143 的垂直與水平的電性連接。參見圖1H，以涂布或壓合方式形成一保護層18 于該絕緣層材料16下方，并于該保護層18內形成多數個錫球焊墊開口 182， 分別位于一該垂直導電性內連線163或該水平導電性內連線164下方。參 見圖II，形成一導電性焊墊183例如金屬焊墊于每一該錫球焊墊開口 182 中，接著以植球、印刷或電鍍方式形成錫球凸塊184于該導電性焊墊183 下方。如此一來，即形成本發明晶圓級構裝的影像感測模塊，再沿著晶片切割線切割晶片，以將每一具晶粒尺寸構裝形式的影像感測模塊20從該晶片分離出來。每一該影像感測模塊20截面結構如圖2所示。前述影像感測 模塊20通過該些錫球凸塊184即可直接組裝在一印刷電路板(未示出)上。參見圖2所示，本發明前述影像感測模塊20具有晶粒三維堆疊結構特 征，是利用前述晶粒黏著薄膜142使該影像感測晶粒12a與該影像處理晶 粒14上下堆疊接合，而利用該影像感測晶粒12a的該些導通孔與該絕緣層 材料16的該些介層洞填入導電性材料形成垂直導電性內連線163及水平導 電性內連線164，并同時于該絕緣層材料16表面形成重分布導線層165電 性連接該些垂直導電性內連線163及水平導電性內連線164，以建立該影像 感測晶粒12a與該影像處理晶粒14的垂直與水平電性連接，進而縮短該影 像感測模塊20的電性連接距離，以降低能量的耗損。再者，該影像感測模 塊20的晶粒三維堆疊構裝方式可減少整體組裝面積及高度，而有效增加單 位面積的元件密度，以降低制造成本。圖3為本發明具晶粒三維堆疊結構的影像感測模塊的第二具體實施例 的結構截面示意圖。在第二具體實施例中，本發明具晶粒三維堆疊結構的 影像感測模塊30與第一具體實施例的具晶粒三維堆疊結構的影像感測模塊 20的差別在于先將該影像傳感器晶片12背面先形成多數個凹槽，即每一該 影像感測晶粒12a的背面先形成一凹槽，再將該影像處理晶粒14以正面 朝上的方式放置于該凹槽中，并利用一晶粒黏著薄膜142接合該影像感測 晶粒12a與該影像處理晶粒14。圖4為本發明具晶粒三維堆疊結構的影像感測模塊的第三具體實施例的結構截面示意圖。在第三具體實施例中，本 發明具晶粒三維堆疊結構的影像感測模塊40與第一具體實施例的具晶粒三 維堆疊結構的影像感測模塊20的差別在于該影像處理晶粒14是以背面與 該影像感測晶粒12a接合，并且該影像感測晶粒12a與該影像處理晶粒14 之間的水平電性連接通過形成于該影像處理晶粒14與該些錫球凸塊184之 間的重分布導線層165來建立。圖5為本發明具晶粒三維堆疊結構的影像感測模塊的第四具體實施例的結構截面示意圖。在第四具體實施例中，本發明具晶粒三維堆疊結構的影像感測模塊50與第三具體實施例的具晶粒三 維堆疊結構的影像感測模塊40的差別在于該影像感測晶粒12a與該影像處 理晶粒14之間的水平電性連接166是形成于該影像感測晶粒12a與該影像 處理晶粒14之間。圖6為本發明具晶粒三維堆疊結構的影像感測模塊的第五具體實施例 的結構截面示意圖。在第五具體實施例中，本發明具晶粒三維堆疊結構的 影像感測模塊60與第一具體實施例的具晶粒三維堆疊結構的影像感測模塊 20的差別在于該影像處理晶粒14與該影像感測晶粒12a的晶粒大小一致， 而該影像處理晶粒14并未內埋于該絕緣層材料16中，并且多數個導通孔 均貫通該影像感測晶粒12a與該影像處理晶粒14，再通過將導電性材料填 入該些導通孔與該絕緣層材料16的介層洞形成水平導電性內連線164及垂 直導電性內連線163，并同時在該絕緣層材料16表面形成的重分布導線層 165，以建立該影像感測晶粒12a與該影像處理晶粒14的垂直與水平電性 導通。換句話說，該影像感測晶粒12a與該影像處理晶粒14之間的水平電 性連接是形成于該影像處理晶粒14與該些錫球凸塊184之間。圖7為本發 明具晶粒三維堆疊結構的影像感測模塊的第六具體實施例的結構截面示意 圖。在第六具體實施例中，本發明具晶粒三維堆疊結構的影像感測模塊70 與第五具體實施例的具晶粒三維堆疊結構的影像感測模塊60的差別在于該 影像處理晶粒14是以背面接合于該影像感測晶粒12a下方，而該影像感測 晶粒12a與該影像處理晶粒14之間的電性連接是透過垂直導電性內連線 163及重分布導線層165并于該影像處理晶粒14背面側完成。圖8為本發 明具晶粒三維堆疊結構的影像感測模塊的第七具體實施例的結構截面示意 圖。在第七具體實施例中，本發明具晶粒三維堆疊結構的影像感測模塊80 與第六具體實施例的具晶粒三維堆疊結構的影像感測模塊70的差別在于該 影像感測晶粒12a與該影像處理晶粒14之間夾有一層絕緣層材料19，并且該影像感測晶粒12a與該影像處理晶粒14之間的水平電性連接166是形成 于該影像感測晶粒12a與該影像處理晶粒14之間的該絕緣層材料19中。再者，本發明前述各種實施例的具晶粒三維堆疊結構的影像感測模塊 也可結合并堆疊無線射頻元件(RF component)、發光二極管元件、天線等 主、被動元件(未示出)，以進一步提供無線傳輸與自我照明的功能。此外，本發明也可將前述影像感測晶粒12a與影像處理晶粒14整合成 一顆系統芯片(System On Chip, S0C)晶粒，而該系統芯片晶粒下層可以是 存儲器、無線射頻元件、整合性被動元件(Integrated Passive Device, IPD) 等元件或其組合的另一系統芯片晶粒。圖9為本發明具晶粒三維堆疊結構的影像感測模塊的第八具體實施例 的結構截面示意圖。在第八具體實施例中，本發明具晶粒三維堆疊結構的 影像感測模塊90包含一透光基材10、 一具影像處理功能的影像感測晶粒 901、 一整合有存儲器、無線射頻元件及整合性被動元件的系統芯片晶粒 905、 一絕緣層材料16、 一保護層18及多數個錫球凸塊184。該影像感測 晶粒901具有一感光區域121，其通過黏著層101接合于該透光基材10下 方。該系統芯片晶粒905內埋于該絕緣層材料16中并通過晶粒黏著薄膜142 接合于該影像感測晶粒901的背面。該保護層18形成于該絕緣層材料16 下方，而該些錫球凸塊184位于該保護層18的焊墊開口(未示出)中，通過 該些錫球凸塊184使該具晶粒三維堆疊結構的影像感測模塊90直接組裝于 一電路板上，例如印刷電路板上。圖10為本發明具晶粒三維堆疊結構的影像感測模塊的第九具體實施例 的結構截面示意圖。在第九具體實施例中，本發明具晶粒三維堆疊結構的 影像感測模塊100與第八具體實施例的具晶粒三維堆疊結構的影像感測模 塊90的差別在于存儲器902、無線射頻元件903及被動元件904是內埋于 該絕緣層材料16中并通過晶粒黏著薄膜142分別接合于該影像感測晶粒 901的背面。圖11為本發明具晶粒三維堆疊結構的影像感測模塊的第十具體實施例的結構截面示意圖。在第十具體實施例中，本發明具晶粒三維堆疊結構的影像感測模塊no與第八具體實施例的具晶粒三維堆疊結構的影 像感測模塊90的差別在于將至少一個發光二極管元件906放置于該影像感 測晶粒901上方，并于該透光基材10中對應每一該發光二極管元件906上 方形成一導光通道907及一透鏡元件908形成于該導光通道907頂端。如 此一來，該具晶粒三維堆疊結構的影像感測模塊110即具有自我照明的功 能。圖12為本發明具晶粒三維堆疊結構的影像感測模塊的第十一具體實施 例的結構截面示意圖。在第十一具體實施例中，本發明具晶粒三維堆疊結 構的影像感測模塊120與第八具體實施例的具晶粒三維堆疊結構的影像感 測模塊90的差別在于該影像感測晶粒901的上表面是利用濺鍍或電鍍方式 形成天線結構909，以使該具晶粒三維堆疊結構的影像感測模塊120具有無 線傳輸的功能。以上所述僅為本發明的具體實施例而已，并非用以限定本發明的權利 要求范圍；凡其它未脫離本發明所揭示的精神下所完成的等效改變或修飾， 均應包含在本發明的權利要求范圍內。
權利要求
1.一種具晶粒三維堆疊結構的影像感測模塊，其特征在于，包括至少一個影像感測晶粒；至少一個影像處理晶粒，該影像感測晶粒與該影像處理晶粒上下堆疊接合，其中該影像感測晶粒的一感測面朝上，該影像感測晶粒具有多數條垂直導線，借此以與該影像處理晶粒建立垂直與水平的電性導通；一透光基材，形成于該影像感測晶粒的該感測面上方；及多數個導電性焊墊，形成于該影像感測模塊背面。
2. 如權利要求1所述的具晶粒三維堆疊結構的影像感測模塊，其特征 在于，還包含一絕緣層，使該影像處理晶粒內埋于其中。
3. 如權利要求1所述的具晶粒三維堆疊結構的影像感測模塊，其特征 在于，該影像感測晶粒背面具有一凹槽，以放置該影像處理晶粒。
4. 如權利要求1所述的具晶粒三維堆疊結構的影像感測模塊，其特征 在于，該影像處理晶粒是以正面朝上或正面朝下的方式堆疊于該影像感測 晶粒下方。
5. 如權利要求1所述的具晶粒三維堆疊結構的影像感測模塊，其特征 在于，該影像感測晶粒與該影像處理晶粒的水平電性連接位于該影像處理 晶粒與該些導電性焊墊之間或該影像處理晶粒與該影像感測晶粒之間。
6. 如權利要求1所述的具晶粒三維堆疊結構的影像感測模塊，其特征 在于，至少一該垂直導線貫通該影像感測晶粒及該影像處理晶粒。
7. 如權利要求6所述的具晶粒三維堆疊結構的影像感測模塊，其特征 在于，該影像感測晶粒與該影像處理晶粒的水平電性連接是位于該影像處 理晶粒與該些導電性焊墊之間或該影像處理晶粒與該影像感測晶粒之間。
8. 如權利要求6所述的具晶粒三維堆疊結構的影像感測模塊，其特征 在于，該影像處理晶粒是以正面朝上或正面朝下的方式堆疊于該影像感測 晶粒下方。
9. 如權利要求1所述的具晶粒三維堆疊結構的影像感測模塊，其特征 在于，還包含至少一個發光二極管元件位于該影像感測晶粒上方。
10. 如權利要求9所述的具晶粒三維堆疊結構的影像感測模塊，其特征 在于，還包含至少一導光通道貫通該透光基材并形成于該發光二極管元件 上方及至少一個透鏡元件形成于該導光通道上方。
11. 如權利要求1所述的具晶粒三維堆疊結構的影像感測模塊，其特征 在于，還包含至少一個天線元件形成于該影像感測晶粒上方。
12. 如權利要求1所述的具晶粒三維堆疊結構的影像感測模塊，其特征 在于，還包含一黏著層，以接合該影像感測晶粒與該影像處理晶粒。
13. 如權利要求1所述的具晶粒三維堆疊結構的影像感測模塊，其特征 在于，還包含多數個錫球凸塊，分別形成于一該導電性焊墊下方，而通過 該些錫球凸塊使該影像感測模塊與外界產生電性導通。
14. 一種具晶粒三維堆疊結構的影像感測模塊，其特征在于，包括 至少一個影像感測晶粒，內含有影像處理功能；一絕緣層，形成于該影像感測晶粒下方；一系統芯片晶粒與該影像感測晶粒上下堆疊接合，其中該影像感測晶 粒的一感測面朝上，該系統芯片內埋于該絕緣層中；一透光基材，形成于該影像感測晶粒的該感測面上方；及 多數個導電性焊墊，形成于該影像感測模塊背面。
15. 如權利要求14所述的具晶粒三維堆疊結構的影像感測模塊，其特 征在于，該系統芯片晶粒包含存儲器、無線射頻元件、整合性被動元件、 獨立的被動元件或它們的組合。
16. 如權利要求14所述的具晶粒三維堆疊結構的影像感測模塊，其特 征在于，還包含至少一個發光二極管元件位于該影像感測晶粒上方。
17. 如權利要求16所述的具晶粒三維堆疊結構的影像感測模塊，其特 征在于，還包含至少一導光通道貫通該透光基材并形成于該發光二極管元件上方及至少一個透鏡元件形成于該導光通道上方。
18. 如權利要求14所述的具晶粒三維堆疊結構的影像感測模塊，其特 征在于，還包含至少一個天線元件形成于該影像感測晶粒上方。
19. 如權利要求14所述的具晶粒三維堆疊結構的影像感測模塊，其特 征在于，還包含一黏著層，以接合該影像感測晶粒與該系統芯片晶粒。
20. 如權利要求14所述的具晶粒三維堆疊結構的影像感測模塊，其特 征在于，還包含多數個錫球凸塊，分別形成于一該導電性焊墊下方，而通 過該些錫球凸塊使該影像感測模塊與外界產生電性導通。
全文摘要
本發明提供一種具晶粒三維堆疊結構的影像感測模塊，利用至少一影像感測晶粒的導通孔與其下方一絕緣層的介層洞內填導電性材料，以使該影像感測晶粒與內埋于該絕緣層內的一影像處理晶粒建立垂直的電性導通，并形成錫球凸塊于該影像感測模塊背面，以使該影像感測模塊可直接組裝于一電路板上。本發明的影像感測模塊具晶圓級構裝架構及晶粒三維堆疊特征，可縮短電性連接距離，降低該模塊整體組裝面積與高度。
文檔編號H01L23/488GK101335267SQ200710112678
公開日2008年12月31日 申請日期2007年6月27日 優先權日2007年6月27日
發明者張恕銘, 張香鈜, 江家雯, 郭子熒 申請人:財團法人工業技術研究院