一种嵌入式的半导体指纹传感器的制造方法
【专利摘要】本发明适用于传感器领域，提供了一种嵌入式的半导体指纹传感器，该半导体指纹传感器包括基板，设于所述基板的凹槽内的传感器管芯，所述传感器管芯表面设有传感器像素阵列，覆盖于所述传感器管芯表面的保护涂层，印制于所述基板正面开槽面的金属边条及连接焊盘，所述连接焊盘通过连接导线连接所述传感器管芯的管脚，所述管脚、连接焊盘及连接导线封装与注封结构内。通过设置金属边条，有效避免静电对管芯的严重损害，提高了抗静电强度，采用常规的封装技术，降低了封装工艺，降低了制造成本。
【专利说明】一种嵌入式的半导体指纹传感器
【技术领域】
[0001] 本发明属于传感器领域，尤其涉及一种嵌入式的半导体指纹传感器。
【背景技术】
[0002] 近年来随着指纹识别技术的发展，指纹识别系统越来越多地应用在日常生活中， 例如指纹识别门禁系统、指纹门锁、指纹保险箱柜等；以及在出入境检查处、机场以及对私 人设备例如笔记本电脑、平板电脑、智能手机、个人PDA设备、指纹USBKey等验证人的身份 的目的而变得常见。
[0003] 指纹传感器按传感原理，即指纹成像原理和技术，分为光学指纹传感器、半导体电 容传感器、半导体热敏传感器、半导体压感传感器、超声波传感器和射频RF传感器等；按外 观形状又可分为条状指纹传感器和矩形指纹传感器。
[0004] 典型的基于半导体工艺的电容式指纹传感器包括硅材质的管芯，其正面形成有传 感器采集单元阵列、驱动电路和读出电路。传感器通常的操作原理：在传感器采集单元阵列 集成约100000个电容式传感器(外层绝缘)，传感器阵列每一点是个金属电极，相当于电容 器阳极；手指放在上面时，皮肤组成电容另一极，传感面形成两极间介电层。电容值随脊(近 的)和谷(远的)相对于传感器阵列的距离而改变。人类的指纹由紧密相邻的凹凸纹路构成， 通过对每个像素点上利用标准参考放电电流，便可检测到指纹的纹路状况。每个像素先预 充电到某一参考电压，然后由参考电流放电。电容阳极上电压的改变率与其上的电容成下 面的比例关系 ：ref=CXdv/dt处于指纹的凸起下的像素（电容量高）放电较慢，而处于指 纹的凹处下的像素（电容量低）放电较快。这种不同的放电率可通过采样保持（S/Η)电路 检测并转换成一个8位输出，这种检测方法对指纹凸起和低凹具有较高的敏感性，并可形 成非常好的原始指纹图像。封装后，传感器单元阵列裸露出来，以供与用户手指接触；或者 其上覆盖保护材料与手指接触，从而保护传感器不受物理和环境损伤、磨损等。
[0005] 半导体管芯通常具有在其表面上通过光刻(或其他方式）形成的传感器采集单元 阵列。传感器管芯通常相当小，其接触焊盘也相应的小，因而必须采用辅助结构以实现管芯 和组件的封装，以实现与印刷电路板（PCB)之间的电气连接。这样的辅助结构包括引线框 架、芯片载具等。这样的辅助结构包括引线框架、芯片载具等。在常见半导体封装工艺中， 管芯附着至引线框架，通过细小的连接导线实现管芯的小尺寸焊盘与大尺寸引线框架之间 的互连。为了保护连接导线和其他部件，管芯、引线框架和连接导线通常包裹在包封材料 中。通过已经连接了导线的管芯和引线框架放到模具内，向模具内注入包封材料，并使包封 材料硬化而实现的。
[0006] 为解决静电击穿对传感器造成的损坏。一种制备方法是在硅材质的管芯表面的非 指纹采集区，采用镀金工艺制作一很薄的金材质的金属导电层，再由硅通孔将管芯表明的 金属层连接至管芯的静电泄放焊盘上，该静电泄放焊盘再焊接至印制电路板上的系统接地 端。当手指靠近传感器，手指上的静电通过传感器表面的金属经上述导电路径泄放到系统 地。该制备方法的最大难题是镀金工艺，因引入金属元素金和标准的半导体工艺不兼容，可 生产可制造性很差，良率很低，生产成本非常高。
【发明内容】
[0007] 本发明提供一种嵌入式的半导体指纹传感器，旨在解决制造成本高、封装工艺复 杂、抗静电差的问题。
[0008] 本发明是这样实现的，一种嵌入式的半导体指纹传感器，该半导体指纹传感器包 括基板，设于所述基板的凹槽内的传感器管芯，所述传感器管芯表面设有传感器像素阵列， 覆盖于所述传感器管芯表面的保护涂层，印制于所述基板正面开槽面的金属边条及连接焊 盘，所述连接焊盘通过连接导线连接所述传感器管芯的管脚，所述管脚、连接焊盘及连接导 线封装与注封结构内。
[0009] 本发明的进一步技术方案是：所述半导体指纹传感器还包括焊接机构，所述焊接 机构设于所述基板底面，所述基板通过所述焊接机构连接印制电路板。
[0010] 本发明的进一步技术方案是：所述传感器管芯呈矩形结构，所述传感器管芯正面 一侧设置管脚。
[0011]本发明的进一步技术方案是：所述焊接机构为插接件。
[0012] 本发明的进一步技术方案是：所述传感器管芯成条状，所述传感器管芯正面两侧 设置管脚。
[0013] 本发明的进一步技术方案是：所述焊接机构为连接盘栅格阵列或球栅阵列或插头 或插座。
[0014] 本发明的进一步技术方案是：所述传感器管芯低于所述基板的开槽面。
[0015] 本发明的进一步技术方案是：所述基板采用树脂、塑料或陶瓷制成。
[0016] 本发明的进一步技术方案是：所述保护涂层采用无机涂层或有机聚合物；所述无 机涂层采用氮化硅或碳化硅或无定型金刚石；所述有机聚合物为聚酰亚胺或聚四氟乙烯。
[0017] 本发明的进一步技术方案是：所述注封结构采用环氧树脂或塑料制成。
[0018] 本发明的有益效果是：通过设置金属边条，有效避免静电对管芯的严重损害，提高 了抗静电强度，采用常规的封装技术，降低了封装工艺，降低了制造成本。
【专利附图】
【附图说明】
[0019] 图1是本发明实施例提供的嵌入式的半导体指纹传感器第一实施例的局部剖切 透视图； 图2是本发明实施例提供的嵌入式的半导体指纹传感器第一实施例矩形传感器的正 剖面示意图； 图3是本发明实施例提供的嵌入式的半导体指纹传感器第一实施例矩形传感器的侧 剖面示意图； 图4是本发明实施例提供的嵌入式的半导体指纹传感器第一实施例矩形传感器的背 面示意图； 图5是本发明实施例提供的嵌入式的半导体指纹传感器第二实施例条状传感器的局 部剖切透视图； 图6是本发明实施例提供的嵌入式的半导体指纹传感器第二实施例条状传感器的侧 剖面示意图； 图7是本发明实施例提供的嵌入式的半导体指纹传感器第二实施例条状传感器具有 栅格阵列连接盘的背面示意图； 图8是本发明实施例提供的嵌入式的半导体指纹传感器第二实施例条状传感器具有 球栅阵列的背面示意图； 图9是本发明实施例提供的嵌入式的半导体指纹传感器第二实施例条状传感器组件 球栅阵列的侧面示意图。
【具体实施方式】
[0020] 附图标记：100-矩形传感器 101-基板 101a-凹槽 102-传感器管芯 102a-像素阵列102b-管脚 103-金属边条104-连接焊盘105-插接件 200-条 状传感器205-连接盘栅格阵列206-球栅阵列300-手指301-连接导线302-注封 结构303-保护涂层 图1-9示出了本发明提供的嵌入式的半导体指纹传感器，该半导体指纹传感器包括基 板101，设于所述基板101的凹槽l〇la内的传感器管芯102,所述传感器管芯102表面设有 传感器像素阵列l〇2a，覆盖于所述传感器管芯102表面的保护涂层303,印制于所述基板 101正面开槽面的金属边条103及连接焊盘104,所述连接焊盘104通过连接导线301连接 所述传感器管芯的管脚l〇2b，所述管脚102b、连接焊盘104及连接导线301封装于注封结 构302内。通过设置金属边条103,有效避免静电对管芯的严重损害，提高了抗静电强度，采 用常规的封装技术，降低了封装工艺，降低了制造成本。
[0021] 所述半导体指纹传感器还包括焊接机构，所述焊接机构设于所述基板101底面， 所述基板101通过所述焊接机构连接印制电路板。
[0022] 所述传感器管芯102呈矩形结构，所述传感器管芯102正面一侧设置管脚102b。
[0023] 所述焊接机构为插接件105。
[0024] 所述传感器管芯102呈条状，所述传感器管芯102正面两侧设置管脚102b。
[0025] 所述焊接机构为连接盘栅格阵列205或球栅阵列206或插头或插座。
[0026] 所述传感器管芯102低于所述基板101的开槽面。
[0027] 所述基板101采用树脂、塑料或陶瓷制成。
[0028] 所述保护涂层303采用无机涂层或有机聚合物；所述无机涂层采用氮化硅或碳化 硅或无定型金刚石；所述有机聚合物为聚酰亚胺或聚四氟乙烯。
[0029] 所述注封结构采302用环氧树脂或塑料制成。
[0030] 所述连接导线301采用几十微米直接的铝或金等金属材质制成。
[0031] 所述凹槽l〇la的长宽尺寸大于所述传感器管芯102的长宽尺寸。
[0032] 实施例一 参考图1至图4,其中图1示出根据第一实施例的基板101嵌入以及印制于基板101上 的一个或多个金属边条103结构的矩形传感器100的局部剖切透视图。矩形传感器100包 括长方形基板101，其采用树脂、塑料或陶瓷等绝缘材料制成，具有形成于其正面或背面并 且有可能处于其各层中的互连引线（未画出），所述长方形基板101的正面开有凹槽101a， 其凹槽101a长宽尺寸略大于矩形传感器管芯102,开槽深度略高于管芯102的高度。将传 感器管芯102嵌入到基板101凹槽101a底部的传感器管芯102固定区域，并使传感器管芯 102的正面在水平面上略低于基板101的开槽面。传感器管芯102通常是具有形成于一层 或多层的硅基半导体，层包括如晶体管、电容、电阻等集成电路器件及互连线、通孔，所述器 件通过光刻或者其他半导体制造工艺形成。具体而言，管传感器芯102具有形成于其上的 图像存储单元(未画出）、图像读取电路(未画出）和传感器像素阵列l〇2a，像素阵列102a为 像素的二维阵列。通过传感器管芯102的背面和基板凹槽101a的底部之间的粘合剂将传 感器管芯102物理连接至基板101凹槽101a。通过连接导线301将传感器管芯102正面较 窄一侧的管脚（PAD) 102b电气连接至基板101正面其中一侧开槽面的连接焊盘104,所述 连接导线301采用几十微米直径的铝或金等金属材质。
[0033] 基板101的开槽面印制有一条或多条金属边条103,所述金属边条103采用导电的 铜、铝或金等金属材质制成。金属边条103通过形成于基板101正面或背面并且有可能处 于其各层中的互连引线(未画出)和基板101背面的接插件105的一个或多个接地管脚相连 (未画出），接插件105用于基板101和印制电路板之间的电气连接，所述接插件105的一个 或多个接地管脚和印制电路板的地平面相连接，由此形成ESD静电泄放通路。例如当手指 300按压矩形传感器管芯102正面的二维像素阵列102a的时候，因传感器管芯102在水平 面上略低于基板101的开槽面，手指300会首先接触基板101的开槽面印制的一条或多条 导电金属边条103，其携带的静电会通过上述ESD静电泄放通路泄放到地，有效避免静电对 硅材质的传感器管芯102造成严重损害。
[0034] 传感器管芯102正面较窄一侧的管脚102b和基板101正面其中一侧开槽面的连 接焊盘104以及连接导线301都包裹在注封结构302内，使传感器管芯102的正面(尤其是 传感器像素阵列l〇2a)裸露出来，其上覆盖一层保护涂层303,所述保护涂层303材料可以 用无机涂层，例如氮化硅、碳化硅、硅酸铝或无定形金刚石，可大大增强耐磨性，尤其对于研 磨颗粒。也可以采用其他有机聚合物材料，例如聚酰亚胺（Polyimide(KaptonTM))或聚四 氟乙烯（PTFF(TeflonTM))，具有很好的疏水性、耐腐蚀、耐酸碱、耐磨等优良特性。
[0035] 形成注封结构302的材料采用环氧树脂或塑料等绝缘材料。注封可以通过注胶或 注模技术实现，也可采用各种集成电路模制技术之一来形成注封结构302。注封结构302包 裹住传感器管芯102的管脚102b、基板101的连接焊盘104、连接导线301，并使注封材料填 满基板101凹槽l〇la四周的空隙使得基板101和传感器管芯102紧密贴合在一起。注封 结构302可保护传感器管芯102的管脚102b、基板101的连接焊盘104和连接导线301不 受机械、电和环境损伤。
[0036] 基板101的背面设有接插件105,用于将基板101和印制电路板之间进行电气连 接，作为最终装置构造的一部分的其他部件安装组件的背面互连，从而允许矩形传感器1〇〇 在另一电系统内的电互连。由此获得了完整的基于基板101嵌入以及印制于基板101上的 一个或多个金属边条103结构和传感器管芯102的用于指纹采集的矩形传感器100。
[0037] 实施例二 参考图5至图9,其中图5示出根据第二实施例的基板101嵌入以及印制于基板101上 的一个或多个金属边条103结构的条状传感器200的局部剖切透视图。条状传感器200包 括条状的基板101，其采用树脂、塑料或陶瓷等绝缘材料，具有形成于其正面或背面并且有 可能处于其各层中的互连引线（未画出），所述条状基板101的正面开有凹槽l〇la，其凹槽 101a长宽尺寸略大于条状传感器管芯202,开槽深度略高于传感器管芯202的高度。将传 感器管芯102嵌入到基板凹槽101a底部的传感器管芯102固定区域，并使传感器管芯102 的正面在水平面上略低于基板101的开槽面。传感器管芯102通常是具有形成于一层或多 层的硅基半导体，层包括如晶体管、电容、电阻等集成电路器件及互连线、通孔，器件通过光 刻或者其他半导体制造工艺形成。具体而言，传感器管芯102具有形成于其上的图像存储 单元(未画出）、图像读取电路(未画出）和传感器像素阵列102a，像素阵列102a为像素的二 维阵列。通过传感器管芯102的背面和基板凹槽101a的底部之间的粘合剂将管芯202物 理连接至基板凹槽201a。通过连接导线301将传感器管芯102正面较窄两侧的管脚102b 电气连接至基板101正面其中两侧开槽面的连接焊盘104,所述连接导线301采用几十微米 直径的铝或金等金属材质。
[0038] 基板101的开槽面印制有一条或多条金属边条103,所述金属边条103采用导电 的铜、铝或金等金属材质制成。金属边条103通过形成于基板101正面或背面并且有可能 处于其各层中的互连引线(未画出)和基板101背面长条型两侧均匀分布有连接盘栅格阵列 205或球栅阵列206的一个或多个接地管脚相连(未画出），连接盘栅格阵列205或球栅阵列 206用于基板101和印制电路板之间的电气连接，所述连接盘栅格阵列205或球栅阵列206 的一个或多个接地管脚和印制电路板的地平面相连接，由此形成ESD静电泄放通路。例如 当手指300滑过条状传感器管芯102正面的二维像素阵列102a的时候，因传感器管芯102 在水平面上略低于基板101的开槽面，手指300会首先接触基板101的开槽面印制的一条 或多条导电金属边条103,其携带的静电会通过上述ESD静电泄放通路泄放到地，有效避免 静电对硅材质的传感器管芯102造成严重损害。
[0039] 传感器管芯102正面较窄两侧的管脚102b和基板101正面其中两侧开槽面的连 接焊盘104以及连接导线301都包裹在注封结构302内，使传感器管芯102的正面(尤其是 传感器像素阵列l〇2a)裸露出来，其上覆盖一层保护涂层303,所述保护涂层303材料可以 用无机涂层，例如氮化硅、碳化硅、硅酸铝或无定形金刚石，可大大增强耐磨性，尤其对于研 磨颗粒。也可以采用其他有机聚合物材料，例如聚酰亚胺或聚四氟乙烯，具有很好的疏水 性、耐腐蚀、耐酸碱、耐磨性等优良特性并提供物理保护。
[0040] 形成注封结构302的材料采用环氧树脂或塑料等绝缘材料。注封可以通过注胶或 注模技术实现，也可采用各种集成电路模制技术之一来形成注封结构302。注封结构302包 裹住传感器管芯102的管脚102b、基板101的连接焊盘104、连接导线301，并使注封材料填 满基板凹槽l〇la四周的空隙使得基板101和传感器管芯102紧密贴合在一起。注封结构 302可保护传感器管芯102的管脚102b、基板101的焊盘104和连接导线301不受机械、电 和环境损伤。
[0041] 基板101的背面长条型两侧均匀分布有连接盘栅格阵列205或球栅阵列206或插 头或插座，用于将基板101和印制电路板之间进行电气连接，作为最终装置构造的一部分 的其他部件安装组件的背面互连，从而允许条状传感器200在另一电系统内的电互连。由 此获得了完整的基于基板嵌入以及印制于基板上的一个或多个金属边条结构和传感器管 芯的用于指纹采集的条状传感器200。
[0042] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精 神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1. 一种嵌入式的半导体指纹传感器，其特征在于，该半导体指纹传感器包括基板，设于 所述基板的凹槽内的传感器管芯，所述传感器管芯表面设有传感器像素阵列，覆盖于所述 传感器管芯表面的保护涂层，印制于所述基板正面开槽面的金属边条及连接焊盘，所述连 接焊盘通过连接导线连接所述传感器管芯的管脚，所述管脚、连接焊盘及连接导线封装与 注封结构内。
2. 根据权利要求1所述的半导体指纹传感器，其特征在于，所述半导体指纹传感器还 包括焊接机构，所述焊接机构设于所述基板底面，所述基板通过所述焊接机构连接印制电 路板。
3. 根据权利要求2所述的半导体指纹传感器，所述传感器管芯截面呈矩形，所述传感 器管芯正面一侧设置管脚。
4. 根据权利要求3所述的半导体指纹传感器，其特征在于，所述焊接机构为插接件。
5. 根据权利要求2所述的半导体指纹传感器，其特征在于，所述传感器管芯呈条状，所 述传感器管芯正面两侧设置管脚。
6. 根据权利要求5所述的半导体指纹传感器，其特征在于，所述焊接机构采用连接盘 栅格阵列或球栅阵列或插头或插座。
7. 根据权利要求4或6所述的半导体指纹传感器，所述传感器管芯低于所述基板的开 槽面。
8. 根据权利要求7所述的半导体指纹传感器，其特征在于，所述基板采用树脂、塑料或 陶瓷制成。
9. 根据权利要求8所述的半导体指纹传感器，其特征在于，所述保护涂层采用无机涂 层或有机聚合物；所述无机涂层采用氮化硅或碳化硅或无定型金刚石；所述有机聚合物为 聚酰亚胺或聚四氟乙烯。
10. 根据权利要求9所述的半导体指纹传感器，其特征在于，所述注封结构采用环氧树 脂或塑料制成。
【文档编号】H01L23/60GK104217220SQ201410427595
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2014年8月27日 优先权日:2014年8月27日
【发明者】吴嘉 申请人:深圳贝特莱电子科技有限公司