具有暴露的傳感器陣列的傳感器封裝以及制造其的方法
【專利說明】具有暴露的傳感器陣列的傳感器封裝以及制造其的方法
[0001]相關申請
本申請要求2013年6月3日提交的美國臨時申請號61/830，563和2013年6月5日提交的美國臨時申請號61/831，397的優先權，并且它們通過引用并入本文。
技術領域
[0002]本發明涉及諸如圖像傳感器和化學傳感器之類的微電子傳感器設備的封裝，并且更具體地涉及使傳感器受保護、電氣連接但又暴露的傳感器封裝。
【背景技術】
[0003]半導體設備的趨勢是封裝在較小封裝(其保護芯片同時提供芯片外信令連接性)中的較小集成電路(1C)設備(還稱為芯片)。一個示例是圖像傳感器，其是包括將入射光變換成電氣信號的光電探測器的1C設備。
[0004]圖像傳感器典型地包封在保護傳感器以免受污染并且提供芯片外信令連接性的封裝中。然而，一個問題在于用于包封光學傳感器的透明襯底能夠不利地影響穿過其并且到達傳感器上的光(例如失真和光子損失)。另一類型的傳感器是化學傳感器，其探測諸如氣體和化學品之類的物理物質。然而，為了操作，化學傳感器不能從環境密封，而仍舊合期望的是封裝這樣的傳感器以用于保護和芯片外信令連接性。
[0005]在美國專利出版物2005/0104186和2005/0051859以及美國專利6，627，864中公開常規傳感器封裝。每一個所公開的傳感器封裝包括傳感器芯片、諸如硅構件之類的主襯底、PCB或撓性PCB、用于傳感器區域的窗口開口以及氣密地密封傳感器區域的透明玻璃。可選地并且頻繁地，密封區域填充有透明環氧化物以改進傳感器管芯與主襯底之間的鍵合強度，這犧牲至少某些光子傳感器的靈敏度。透明玻璃用來保護傳感器區域以免受污染和潮濕同時還向封裝提供附加襯底強度和剛性。傳感器芯片通常通過倒裝芯片或布線鍵合技術而安裝到主襯底上。這允許傳感器鍵合墊通過諸如球狀柵格陣列(BGA)之類的互連與主襯底的表面上的多個金屬跡線連接。金屬跡線通常沉積在主襯底的表面上，其典型地由單層電路構成。然而，難以實現具有這些配置的減少的尺寸和防止組裝過程期間的傳感器區域污染。
[0006]存在針對改進的封裝和封裝技術的需要，其在具有芯片外信令連接性的情況下對傳感器提供某種保護，而又使傳感器暴露于所探測到的情況。還存在針對具有支持主襯底的改進的附連和連接性方案的需要。
【發明內容】
[0007]前述問題和需要通過所封裝的傳感器組裝件解決，該傳感器組裝件包括具有相對的第一和第二表面的第一襯底以及各自在第一和第二表面之間延伸的多個傳導元件。第二襯底包括相對的前表面和后表面、形成在前表面上或中的一個或多個探測器、以及形成在前表面處的電氣耦合到一個或多個探測器的多個接觸墊。第三襯底安裝到前表面以在第三襯底與前表面之間限定腔室，其中第三襯底包括從腔室延伸通過第三襯底的第一開口。后表面安裝到第一表面。多個布線各自在接觸墊中的一個與傳導元件中的一個之間延伸并且電氣連接這二者。
[0008]所封裝的傳感器組裝件包括:包括相對的前表面和后表面的第一襯底；形成在前表面上或中的一個或多個探測器；形成在前表面處的電氣耦合到一個或多個探測器的多個接觸墊；安裝到前表面以在第二襯底與前表面之間限定腔室的第二襯底，其中第二襯底包括從腔室延伸通過第二襯底的第一開口 ；形成到第一襯底的前表面中的溝槽；以及各自從接觸墊中的一個延伸并且到溝槽中的多個傳導跡線。
[0009]用于形成所封裝的傳感器組裝件的方法包括:提供具有相對的第一與第二表面的第一襯底；形成各自在第一與第二表面之間延伸的多個傳導元件；提供第二襯底(包括相對的前表面與后表面、形成在前表面上或中的一個或多個探測器、以及形成在前表面處的電氣耦合到一個或多個探測器的多個接觸墊)；將第三襯底安裝到前表面以在第三襯底與前表面之間限定腔室，其中第三襯底包括從腔室延伸通過第三襯底的第一開口 ；將后表面安裝到第一表面；以及提供各自在接觸墊中的一個與傳導元件中的一個之間延伸并且電氣連接這二者的多個布線。
[0010]形成所封裝的傳感器組裝件的方法包括:提供第一襯底(包括相對的前表面和后表面、形成在前表面上或中的一個或多個探測器、以及形成在前表面處的電氣耦合到一個或多個探測器的多個接觸墊)；將第二襯底安裝到前表面以在第二襯底與前表面之間限定腔室，其中第二襯底包括從腔室延伸通過第二襯底的第一開口 ；將溝槽形成到第一襯底的前表面中；以及形成各自從接觸墊中的一個延伸并且到溝槽中的多個傳導跡線。
[0011]本發明的其它目標和特征將通過審閱說明書、權利要求書和附圖而變得顯而易見。
【附圖說明】
[0012]圖1A-1P是順序地示出了在形成用于圖像傳感器的所封裝的傳感器組裝件中的步驟的橫截面側視圖。
[0013]圖2是示出了安裝到所封裝的傳感器組裝件的透鏡模塊的橫截面側視圖。
[0014]圖3是示出了用于化學傳感器的所封裝的傳感器組裝件的可替換實施例的橫截面側視圖。
[0015]圖4A-4F是順序地示出了在形成所封裝的傳感器組裝件的可替換實施例中的步驟的橫截面側視圖。
[0016]圖5A-5B是示出了用于提供跨傳感器的物理物質的流動的保護襯底中的多個開口的橫截面側視圖。
[0017]圖6是示出了用于提供跨傳感器的物理物質的非線性流動的腔室中的屏障結構和保護襯底中的多個開口的橫截面側視圖。
【具體實施方式】
[0018]本發明是向傳感器芯片提供保護、提供芯片外信令連接性、具有最小尺寸并且可以可靠地制備的封裝解決方案。
[0019]圖1A-1P圖示了所封裝的傳感器組裝件1的形成。該形成以包含形成在其上的多個傳感器12的晶片10 (襯底)開始，如在圖1A中所示。出于圖示的目的，將關于光學傳感器描述所封裝的傳感器的形成，但是可以使用任何傳感器(例如化學傳感器等)。每一個圖像傳感器12包括多個光電探測器14、支持電路16和接觸墊18。傳感器12配置成探測和測量入射在每一個傳感器12的有源區域17上的光。接觸墊18電氣連接到光電探測器14和/或其支持電路16以用于提供芯片外信令。每一個光電探測器14將光能量轉換成電壓信號。可以包括附加電路以放大電壓和/或將其轉換成數字數據。色彩過濾器和/或微透鏡20可以安裝在光電探測器14之上。這種類型的傳感器在本領域中是公知的，并且在本文不被進一步描述。
[0020]接下來形成具有傳感器窗口開口的保護襯底。保護襯底22可以是玻璃或者任何其它光學透明或半透明的剛性襯底。玻璃是優選的材料。厚度范圍為50-1500 μm的玻璃是優選的。傳感器區域窗口開口 24例如通過激光、噴砂、蝕刻或者任何其它適當的腔室形成方法而形成在保護襯底22中。形成在保護襯底22中的開口 24在圖1B中圖示。開口 24的側壁可以是如所示出的豎直的，或者可以向內或向外逐漸變尖。優選地，開口 24在尺寸上等于或小于它們將放置在其之上的底層有源區域17，如圖1D和1F中分別圖示的。可替換地，可以存在用于每一個有源區域17的多個開口 24，如圖1C和1E中所圖示的。每一個有源區域將具有至少一個開口 24。開口 24可以是針對特定傳感器功能性所相容的任何形狀或尺寸。開口 24將通過消除在傳統圖像傳感器封裝中找到的光學透明保護襯底所引起的失真和光子損失而使圖像傳感器獲益。開口 24還可以將傳感器有源區域17暴露于環境，從而允許化學傳感器探測器探測傳感器所暴露于的諸如氣體和化學品之類的物理物質。
[0021]將間隔物材料26的可選層沉積在保護襯底22上，這要么在形成開口 24之前要么在形成開口 24之后。間隔物材料26可以是聚合物、環氧化