CN103151361B - 晶圆级图像芯片封装及光学结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种晶圆级图像芯片封装及光学结构，所述光学结构包含基板、芯片、光源及装配件。所述芯片和所述光源附着在所述基板上。所述装配件固定于所述基板上，且包含用于容纳所述光源的第一容纳空间、用于容纳所述芯片的第二容纳空间和介于所述第一容纳空间与所述第二容纳空间之间的阻隔区。

Description

晶圆级图像芯片封装及光学结构

技术领域

本发明涉及适用于晶圆级封装技术的光学结构，更进一步地说，本发明涉及晶圆级封装技术中，以透明材料覆盖半导体结构的图像感测器的光学结构。

背景技术

现行的图像感测器芯片（IC）主要是将裸芯片（die）自晶圆（wafer）上切割下来后，再利用各种封装方式封装为芯片，例如以iDip、LGA或COB等封装技术进行封装。此类封装技术是熟知本领域的技术人员所熟悉的技术内容，故于此不再赘述。

利用类似上述封装技术所完成的芯片，具有共同的外型特征，即芯片外围都被黑色腔体所覆盖，也就是现今常见的芯片形式。对于图像感测器芯片而言，此特征可阻隔外界环境杂散光，因此图像感测器芯片在封装完成后，可以直接适用于各种应用场合，例如使用在光学鼠标中。图像感测器芯片可以直接经由高度定位之后固定，便可用来感测桌面的反射光线，以进行光学导航操作。

然而随着半导体制作技术的演变，晶圆级封装逐渐成为成熟的技术，在晶圆级封装技术中，有以透明材料，例如玻璃或树脂（Epoxy），覆盖在裸芯片上形成封装结构的作法；例如，“芯片等级封装（ChipScalePackage,CSP）”技术、“穿透硅通孔（Through-SiliconVia,TSV）”技术、OPLGA技术等等，皆可利用透明的玻璃或树脂覆盖在裸芯片上来进行封装。因此，这种封装芯片并没有黑色腔体结构，导致应用于图像感测器芯片时，周围的光线可能会通过透明的玻璃或树脂影响感测器的运作。

鉴于此，可知晶圆级封装技术的新型态光学与定位结构，为图像感测业界所亟需。

发明内容

本发明的目的是提出适用于晶圆级封装技术的光学结构与定位结构，特别适用于晶圆级图像芯片封装。由于晶圆级封装技术可使用透明材料，例如玻璃或树脂，来覆盖半导体电路的外层，因此完成封装后的晶圆级图像芯片封装表面并不具备黑色腔体的结构，无法有效阻挡周围光线。因此，本发明提出一种光学结构与定位结构，用于将完成晶圆封装后的芯片与光学结构和/或定位结构装配固定在基板上，例如印刷电路板（PCB），同时阻挡或吸收其余不必要的光线。对于需要感测光线以产生图像信号的图像感测器芯片而言，可有效避免图像感测器芯片受到周围光线干扰而影响最后成像效果。

为达到上述目的，本发明提供一种晶圆级图像芯片封装，包含裸芯片、中间层及透明层。所述裸芯片具有感测面且所述感测面具有感测区。所述中间层设置于所述感测面上的所述感测区之外。所述透明层通过所述中间层结合在所述裸芯片上，其中所述透明层的至少一部分表面上形成有一滤光层和阻光层。

本发明还提供一种光学结构，包含基板、晶圆级图像芯片封装、光源及装配件。所述晶圆级图像芯片封装附着在所述基板的正面上并具有感测区。所述光源附着在所述基板的所述正面上。所述装配件固定于所述基板上，且包含用于容纳所述光源的第一容纳空间、用于容纳所述晶圆级图像芯片封装的第二容纳空间和介于所述第一容纳空间及所述第二容纳空间之间的阻隔区。

本发明还提供一种光学鼠标的光学结构，包含基板、晶圆级图像芯片封装、光源和装配件。所述晶圆级图像芯片封装和所述光源附着在所述基板上，且彼此相距横向距离。所述装配件固定于所述基板上并围绕所述晶圆级图像芯片封装和所述光源。

本发明实施方式的光学结构中，所述装配件还包含第一透光区和第二透光区；所述第一透光区使所述光源所发出的光穿出所述光学结构至反射面；所述第二透光区使所述光学结构外所述反射面的反射光穿透并到达所述感测区；其中，所述第一透光区和所述第二透光区为透镜结构。

本发明实施方式的光学结构中，所述晶圆级图像芯片封装具有彼此相对的感测面和背面，其中所述晶圆级图像芯片封装通过所述背面附着在所述基板的正面上；所述基板的所述正面上具有电路配置以耦接所述晶圆级图像芯片封装。

本发明实施方式的晶圆级图像芯片封装中，提供至少一个特定光波长的滤光层，该滤光层涂布于所述透明层和/或所述裸芯片的感测面的至少一部分表面上，以使特定波长的光线能够通过；例如，红外光和蓝光穿透滤光层（B+IR滤光层）可使蓝光和红外光通过；红外光穿透滤光层（IR滤光层）可使红外光通过。

本发明实施方式的晶圆级图像芯片封装中，提供至少一个反光层，包含金属成份，涂布于所述透明层和/或所述裸芯片的感测面的至少一部分表面上，以使特定光线能被所述反光层反射，而无法进入图像芯片。

本发明实施方式的光学结构中，提供装配件固定于基板上，并在图像芯片涂布了阻光层以及特定波长的滤波层后，直接将芯片固定在基板上。

本发明实施方式的光学结构中，晶圆级图像芯片封装可直接焊接于基板上，而后直接将装配件合于晶圆级图像芯片封装上，并将装配件固定于基板上，装配件与图像芯片便可维持稳定的相对位置。

附图说明

图1示出本发明实施方式的晶圆级图像芯片封装的示意图；

图2示出本发明实施方式的光学结构及应用所述光学结构的光学鼠标的示意图；

图3示出本发明另一实施方式的光学结构及应用所述光学结构的光学鼠标的示意图。

附图标记说明

1晶圆级图像芯片封装11透明层

11_IS透明层的内表面11_OS透明层的外表面

11_SS透明层的侧面13裸芯片

131感测面132感测区

15中间层101、111、131、151阻光层

103、113、133滤光层21晶圆级图像芯片封装

22基板22S基板正面

23装配件231第一容纳空间

232第二容纳空间233第一透光区

234第二透光区235阻隔区

24光源3壳体

30底孔S反射面。

具体实施方式

为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显，下文将配合附图作详细说明。以下实施方式及附图中，与本发明无关的元件已省略而未示出，且附图中各元件间的尺寸关系仅为了容易了解，并非用于限制实际比例，在此先说明。

图1示出本发明实施方式的晶圆级图像芯片封装1的示意图。晶圆级图像芯片封装1包含透明层11、裸芯片13及中间层15；其中，所述透明层11例如为玻璃层或树脂层；所述中间层15介于所述裸芯片13与所述透明层11之间而具有缓冲和结合所述透明层11及所述裸芯片13的功能。所述裸芯片13为光感测元件，其为形成于晶圆上的半导体电路结构；所述裸芯片13具有感测面131且所述感测面具有感测区132；其中，所述感测区132可大致位于所述感测面131的中央，但并不以此为限。所述中间层15位于所述感测面131上所述感测区132的外侧，当然优选避免遮蔽所述感测区132。所述透明层11具有面向所述裸芯片13的内表面11_IS、与所述内表面11_IS相对的外表面11_OS、和侧面11_SS。本发明实施方式中，所述透明层11和/或所述裸芯片13的感测面131的至少一部分表面上形成有滤光层和阻光层；其中所述阻光层可为反光层或吸收层（详述于后）。

本实施方式中，反光层可涂布于位置101、111、131及151中的至少一者上；特定波长滤光层可涂布于位置103、113及133中的至少一者上；亦即，滤光层可形成于内表面11_IS、外表面11_OS及裸芯片13的感测面131中的至少一者的至少一部分表面上，其中滤光层优选与裸芯片13的感测区132相对；反光层可形成于内表面11_IS、外表面11_OS、侧面11_SS及裸芯片13的感测面131中的至少一者的至少一部分表面上。由于反光层具有金属成份，例如铬或者其他金属成份，故可以有效限制光线从不具有反光层涂布的范围进入透明层11或裸芯片13。特定波长滤光层可与反光层可部分重叠，并不会影响彼此的功能。本实施方式中，位置103、113及133可视为光感测元件的有效视野范围，其优选与感测区132相对。

当反光层以较高温度形成时，透明层11的材料便需要选择可以耐受高温的材料，例如玻璃，此时便不适用不具耐热特性的树脂。

特定波长的滤光层用于使特定波长的光线能够通过，例如红外光和蓝光穿透滤光层（B+IR滤光层）可使蓝光和红外光通过；红外光穿透滤光层（IR滤光层）可使红外光通过。随着芯片1的设计不同，可选用不同的滤光层；举例而言，在使用蓝色光源的光学鼠标时，便可选用B+IR滤光层；而在使用不可见光的光学鼠标时，便可选用IR滤光层。

某些特定光波长滤光层为软质，则不适合涂布在晶圆级图像芯片封装1的最外层，亦即不适合涂布在位置133，以避免滤光层被破坏或者刮伤。此时，滤光层优选形成于透明层11的内表面11_IS或直接涂布于裸芯片13的感测面131。

前述滤光层与反光层可搭配光学与感测元件的设计，同时涂布在不同位置上，以促使其整体反射与吸收效果合于整体设计，例如可同时在位置103与113涂布滤光层。

另一实施方式中，当所要接收的光为可见光时，可利用IR滤光层来吸收阻挡可见光，此时IR滤光层便可以涂布于前一实施方式中反光层所形成的位置，亦即位置101、111、131及151中的至少一者，以作为吸收层；换句话说，位置101、111、131及151中的至少一者上可形成反光层或吸收层以作为阻光层。由于IR滤光层可吸收可见光，因此仅有未被IR滤光层所覆盖的区域可容许可见光通过，以达成有效限制可见光通过的目的。换句话说，透明层11及裸芯片13的感测面131上形成反光层或吸收层根据光感测元件的操作特性而决定。

图2示出本发明实施方式的光学结构的示意图；其中，晶圆级图像芯片封装21（以下简称为芯片21）为已经完成晶圆级封装的感测芯片，其可利用如图1的方式形成；亦即，芯片21包含裸芯片13及透明层11，裸芯片13及透明层11经由中间层15互相结合；所述透明层11和/或所述裸芯片13的感测面131的至少一部分表面上形成有反光层及阻光层（参考图1及相关说明）。图2为光学结构应用于光学鼠标的示意图，因此还包含光源24，其可发射光线，该光线穿过装配件23抵达反射面S，而后反射的光线再穿过装配件23后抵达芯片21。

详细而言，本实施方式的光学结构包含基板22、晶圆级图像芯片封装21、装配件23和光源24。所述芯片21附着（attach）在所述基板22的正面22S上并具有感测区132（如图1所示）。所述光源24附着在所述基板22的所述正面22S上，并朝向远离所述正面22S的方向发光。所述装配件23固定于所述基板22上；其中，所述装配件23优选围绕所述芯片21和所述光源24以避免灰尘进入。所述装配件23具有第一容纳空间231，用于容纳所述光源24、第二容纳空间232，用于容纳所述芯片21，以及阻隔区235，介于所述第一容纳空间231及所述第二容纳空间232之间。所述装配件23具有与所述光源24相对的第一透光区233及与所述芯片21相对的第二透光区234，优选与所述芯片21相对的感测区132。所述第一透光区233使所述光源24所发出的光穿出光学结构至所述反射面S；所述第二透光区234使光学结构外所述反射面S的反射光穿透至所述芯片21的所述感测区132。

本实施方式的光学结构通常设置于壳体3内，例如鼠标壳体，壳体3可置放于反射面S供使用者操控且壳体3具有底孔30。光源24发出的光经过第一透光区233及底孔30照明反射面S；反射面S的反射光（包含杂散光）再度通过底孔30并穿过第二透光区234到达芯片21的感测区132。

装配件23的形状可配合芯片21与光源24而设计，但并不以此为限，只要能够达成避免灰尘进入的功能即可。

本发明实施方式中，装配件23可通过悬臂梁的结构扣合在基板22上，因此基板22需要预先镂空孔洞，以使悬臂梁能够穿过孔洞扣合，孔洞的尺寸需可容纳悬臂梁穿过，但无须紧密贴合悬臂梁。

由图2可知，装配件23在芯片21前方（即第二透光区234）及光源24前方（即第一透光区233）设置有导光结构。本实施方式中，光源24前方的导光结构主要使光源24所发射的光线能够弯折而朝向反射面S，而在芯片21前端的导光结构主要汇聚来自反射面S的反射光线；亦即，第一透光区233及第二透光区234例如可为透镜结构。可以了解的是，图2中所示出的光行进方向仅为例示性。

芯片21可通过焊球或凸块方式连接基板22。

本发明实施方式中，装配件23内在光源24与芯片21之间所设置的阻隔区235可为镂空区域、表面粗糙的镂空区域或者填入其他填充物，以使光源24的光线不会侧向泄漏到芯片21所在的区域；其中，所述填充物可为任何适当材料的不透光填充物。

本实施方式同时公开装配件23位于光源24前端的导光结构（即第一透光区233）与位于芯片21前端的导光结构（即第二透光区234），不需位于同一平面，可视需求进行调整。当然，第一透光区233及第二透光区234亦可位于相同平面。

参照图3所示，其示出本发明另一实施方式的光学结构的示意图；其与图2所示实施方式的主要差异在于，装配件23可无须贴合芯片21，由于芯片21已经涂布阻光层和滤波层（参考图1及相关说明）。因此本实施方式中，装配件23仅需维持与芯片21之间的相对位置。换句话说，本发明实施方式中，装配件23可贴合或不贴合芯片21。

前述实施方式中的基板22可为印刷电路板等硬质的基板，用于结合并固定装配件23，同时基板22的正面22S上具有电路布局，以便与芯片21电性连结。另外，装配件23能够藉由其他结合方式与基板22结合，例如但不限于，以螺丝锁住装配件23与基板22，以便维持各元件间稳定的相对位置。

综上所述，本发明的光学结构可将晶圆级图像芯片封装定位在预设位置，同时在图像感测应用技术的应用场合中，可通过阻光层阻挡或者吸收图像感测元件周围的光线，使图像感测系统顺利运作。

虽然本发明已以前述实施方式公开，然其并非用于限定本发明，任何本发明所属技术领域中的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种变动与修改。因此本发明的保护范围当视所附的权利要求书所界定的为准。

Claims (13)

1.一种光学鼠标的光学结构，所述光学鼠标包含壳体用于置放于反射面，该壳体具有底孔，该光学结构设置于所述壳体内并包含：

基板，具有正面以及镂空孔洞；

晶圆级图像芯片封装，附着在所述基板的所述正面上并具有感测区；

光源，附着在所述基板的所述正面上且所述光源发出的光经过所述底孔照明所述反射面；以及

装配件，通过悬臂梁结构扣合在附着有所述晶圆级图像芯片封装及所述光源的所述基板的所述镂空孔洞以固定于所述基板上，且包含用于容纳所述光源的第一容纳空间、用于容纳所述晶圆级图像芯片封装的第二容纳空间和介于所述第一容纳空间与所述第二容纳空间之间的阻隔区。

2.根据权利要求1所述的光学结构，其中所述装配件还包含与所述光源相对的第一透光区及与所述晶圆级图像芯片封装的所述感测区相对的第二透光区。

3.根据权利要求2所述的光学结构，其中所述第一透光区和所述第二透光区为透镜结构。

4.根据权利要求1所述的光学结构，其中所述晶圆级图像芯片封装包含裸芯片和透明层，所述裸芯片和所述透明层经由中间层相结合，所述晶圆级图像芯片封装的所述感测区位于所述裸芯片的感测面上，所述透明层的至少一部分表面上形成有滤光层及阻光层。

5.根据权利要求4所述的光学结构，其中所述透明层具有面向所述裸芯片的内表面、与所述内表面相对的外表面、和侧面，所述滤光层形成于所述内表面和所述外表面中的至少一者上，所述阻光层形成于所述内表面、所述外表面和所述侧面中的至少一者上。

6.根据权利要求4所述的光学结构，其中所述裸芯片的所述感测面上还形成有滤光层及阻光层。

7.根据权利要求4到6中的任意一项权利要求所述的光学结构，其中所述滤光层为红外光穿透滤光层或红外光和蓝光穿透滤光层。

8.根据权利要求1所述的光学结构，其中所述阻隔区为镂空区域或不透光填充物。

9.根据权利要求1所述的光学结构，其中所述装配件贴合或不贴合所述晶圆级图像芯片封装。

10.一种光学鼠标的光学结构，所述光学鼠标包含壳体用于置放于反射面，该壳体具有底孔，该光学结构设置于所述壳体内并包含：

基板，具有镂空孔洞；

晶圆级图像芯片封装，附着在所述基板上；

光源，附着在所述基板上且所述光源发出的光经过所述底孔照明所述反射面；以及

装配件，通过悬臂梁结构扣合在附着有所述晶圆级图像芯片封装及所述光源的所述基板的所述镂空孔洞以固定于所述基板并围绕所述晶圆级图像芯片封装和所述光源。

11.根据权利要求10所述的光学结构，其中所述晶圆级图像芯片封装包含裸芯片和透明层，所述裸芯片和所述透明层经由中间层相结合，所述透明层和/或所述裸芯片的至少一部分表面上形成有滤光层和阻光层。

12.根据权利要求11所述的光学结构，其中所述透明层具有面向所述裸芯片的内表面、与所述内表面相对的外表面、和侧面，所述滤光层形成于所述内表面、所述外表面和所述裸芯片中的至少一者上，所述阻光层形成于所述内表面、所述外表面、所述侧面及所述裸芯片中的至少一者上。

13.根据权利要求10所述的光学结构，其中所述装配件还包含与所述晶圆级图像芯片封装相对的透镜结构和与所述光源相对的透镜结构。