形成增强型生物传感模块的印刷电路板元件及其制造方法与流程

本发明涉及印刷电路板技术领域，特别是设计一种形成增强型生物传感模块的印刷电路板元件及其制造方法。

背景技术：

许多类型的生物识别特征可用作个人辨别与访问控制的一种形式，而其它的生物识别特征，如心脏跳动，血氧饱和度等等，可以用于监测人的身体物理状态。在取得生物识别特征的方法中，测量阻抗，包含人体的某些部分的电阻和电容，于一些实例中是常见的方法。某些生物传感模块，比如指纹感测模块，可设计来量测感测表面上分布的电阻或电容差异，以取得生物识别资料。生物传感模块中接近感测单元的额外激发信号源可用来改善该生物传感模块的性能。举例来说，在美国专利第8,736,001号中，提出了一种耦接到电路的表框结构，用来作为驱动电极以提供该激发信号到用户的手指上。事实上，如同苹果公司销售的iPhone6，一片金属环形成于home键周围，而其中嵌入一个指纹芯片。该金属环如同美国专利第8,736,001号中的表框结构。然而，这样的技术会有两个问题。首先，直接接触人体的露出的表框结构或金属环(此后称作发信号结构)可能造成指纹芯片故障。更具体来说，人体的大小使其成为了一个像天线般、能提取辐射信号的设备，这些辐射信号可能会干扰指纹感测的功能。其次，发信号结构增加了一台装有该生物传感模块的行动装置的总厚度，并且也造成该行动装置的上表面不平坦。这并不是人们正在寻求的轻薄短小，现代简约的设计。

因此，一种趋势是将该发信号结构整合进封装层级，即，印刷电路板层级中。也就是说，这将形成该发信号结构为印刷电路板元件的一部分。以一个指纹感测模块作为例子来说明，如图1所示的印刷电路板元件可以解决前述的问题。然而，因为指纹感测模块由不同材料所制成(感测单元可能是个集成电路，激发信号源可能是种特定金属材料，而保护层可能是一种热固性树脂)，某些不 能预期的问题，比如结构形变损坏，将在制作过程中发生。

参见图1。图1为由上述方法形成的一个指纹感测模块1的剖面图。为了明确了解指纹感测模块1的结构，垂直方向上的比例较水平方向来得大。也就是说，真实的指纹感测模块比图1中的指纹感测模块1要薄的多。指纹感测模块1基本上由印刷电路板2、指纹感测芯片3、电极4及保护层5组成。印刷电路板2的功能是当成一片基板，承载所有必需用于指纹感测模块1的电子元件，包括指纹感测芯片3与电极4。电极4装设在印刷电路板2上且非常接近指纹感测芯片3。事实上，电极4可以是两个分开的金属块，或是呈一个完整金属环形式，而该金属环在剖面上被切作两部分。保护层5可由铸模复合物制成，扩展分布于指纹感测芯片3、电极4、其他电子元件与印刷电路板2的部分表面上。保护层5用来保护其下的原件。整个指纹感测模块1可以部分组装在安全设备或智能手机中。

很明显，电极4与保护层5是由不同材料所制成。电极4可由特定金属或合金，例如铝，制成。保护层主要包括环氧树脂。当施加保护层5的材料时，在保护层5形成前，一个固化程序必须进行以加热指纹感测模块1到环氧树脂能固化的温度。电极4的热膨胀系数较环氧树脂的热膨胀系数大得多。当加热时，电极4如图1所示的箭头方向朝各方向膨胀，而环氧树脂却正在失去流动性且固化。因此，当指纹感测模块1冷却至常温时，保护层5中有裂缝自电极4产生。此外，指纹感测模块1可能会被施加以回流焊以与其他电子设备结合，这些裂缝可能会导致模块的机械性弱点及/或结构变形。

技术实现要素：

基于此，有必要针对传统的指纹检测模块的保护层存在裂缝的问题，提供一种能够防止保护层开裂的形成增强型生物传感模块的印刷电路板元件，同时还提供了一种用于制造上述印刷电路板元件的方法。

上述目的通过下述技术方案实现：

一种用于形成增强型生物传感模块的印刷电路板元件，包括：

印刷电路板，包括绝缘层及导电层，所述导电层形成工作电路、激发电路、 多个第一接点焊垫与多个第二接点焊垫于所述绝缘层的上表面的一部分上，其中所述第二接点焊垫连接至所述激发电路；

生物传感芯片，装设于所述印刷电路板上；所述生物传感芯片包括感测区、激发信号源、多个接合焊垫及多个导电元件，每一所述接合焊垫电连接至对应的所述第一接点焊垫；所述激发信号源经由所述接合焊垫连接至所述激发电路，用于提供激发信号；每一所述导电元件装设于所述第二接点焊垫上，用于提供所述激发信号于接近物体；及

保护层，形成且覆盖于所述印刷电路板、所述生物传感芯片与所述导电元件上，所述保护层具有平坦的上表面。

在其中一个实施例中，所述激发电路具有信号增强单元，用于增强所述激发信号。

在其中一个实施例中，所述生物传感芯片为指纹感测芯片。

在其中一个实施例中，所述保护层由铸模复合物材料制成。

在其中一个实施例中，所述铸模复合物材料为环氧树脂。

在其中一个实施例中，所述印刷电路板元件形成后，每一所述导电元件的上表面的高度大于等于所述生物传感芯片的高度。

在其中一个实施例中，所述激发电路围绕或邻近所述生物传感芯片布设。

在其中一个实施例中，所述导电元件为表面黏着元件、导电芯片或金属长方体。

在其中一个实施例中，所述导电元件的尺寸与表面黏着元件尺寸相一致。

在其中一个实施例中，所述印刷电路板元件还包括由疏油性和疏水性材料制成的硬涂层，所述硬涂层覆盖于所述保护层上。

还涉及一种用于制造如上述技术特征所述的印刷电路板元件的方法，包括如下步骤：

提供印刷电路板、生物传感芯片及多个导电元件；

将每一接合焊垫电连接至对应的第一接点焊垫，装设所述生物传感芯片于所述印刷电路板上；

装设多个所述导电元件分别至多个第二接点焊垫上，部分所述第二接点焊 垫与装设的所述导电元件电连接；及

形成保护层。

还涉及一种用于制造如上述技术特征所述的印刷电路板元件的方法，包括如下步骤：

提供印刷电路板、生物传感芯片及多个导电元件；

将每一接合焊垫电连接至对应的第一接点焊垫，装设所述生物传感芯片于所述印刷电路板上；

装设多个所述导电元件分别至多个第二接点焊垫上，部分所述第二接点焊垫与装设的所述导电元件电连接；

形成保护层；及

形成由疏油性和疏水性材料制成的硬涂层，所述硬涂层覆于所述保护层上。

本发明的有益效果是：

本发明的形成增强型生物传感模块的印刷电路板元件及其制造方法，结构设计简单合理，利用导电元件的轻薄尺寸，比如表面黏着元件，避免保护层开裂。同时，本发明具有以下使用导电元件的优点：1)制作过程利用标准表面黏着技术制程，该制程已是成熟的技术；2)导电元件的成本远低于金属环、金属框或金属条的成本；3)可免除制作金属环、金属框或金属条的额外模具成本。

附图说明

图1为传统指纹感测模块的剖视图；

图2为本发明一实施例的形成增强型生物传感模块的印刷电路板元件的俯视图；

图3为沿图2中AA’线的剖视图；

图4为沿图2中BB’线的剖视图；

图5为印刷电路板元件上去掉表面黏着元件的上视图；

图6为用于形成印刷电路板元件的方法的流程图；

图7为本发明的另一实施例的形成增强型生物传感模块的印刷电路板元件的俯视图；

其中：

1-指纹检测模块；

2-印刷电路板；

3-指纹感测芯片；

4-电极；

5-保护层；

10-印刷电路板元件；

100-印刷电路板；

102-绝缘层；

104-导电层；

1042-工作电路；

1044-激发电路；

1046-第一接点焊垫；

1048-第二接点焊垫；

106-阻焊膜；

200-生物传感芯片；

202-感测区；

204-接合焊垫；

206-激发信号源；

300-导电元件；

400-保护层；

500-硬涂层；

600-金属框。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下通过实施例，并结合附图，对本发明的形成增强型生物传感模块的印刷电路板元件及其制造方法进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本 发明，并不用于限定本发明。

在本发明的一实施例中，参见图2至图5，印刷电路板元件10形成增强型生物传感模块。请同时参见图2至图4。图2为印刷电路板元件10的俯视图，图3为印刷电路板元件10沿图2中AA’线的剖视图，图4为印刷电路板元件10沿BB’线的剖视图。印刷电路板元件10包含印刷电路板100、生物传感芯片200、多个导电元件300、保护层400及硬涂层500。所有元件的功能和组成将于下方详细介绍。

印刷电路板100基本应包含绝缘层102及导电层104。多个开口(未示出)可形成于阻焊膜106中，以露出接点焊垫。阻焊膜106通常加在印刷电路板100上，用来保护抵抗氧化及防止锡桥形成于相近的焊垫之间。当然，本发明还可以有其它的绝缘层与导电层，绝缘层与导电层基于印刷电路板元件100提供的额外功能存在。此处介绍的绝缘层102与导电层104执行运行生物传感芯片200及连接生物传感芯片200与其它元件的主要功能。绝缘层102要足够坚固，它是印刷电路板元件100的主要部分，用以支撑其它附着于绝缘层102上的元件，并抵抗施加在生物传感芯片200上的正向力。

导电层104形成工作电路1042、激发电路1044、多个第一接点焊垫1046及多个第二接点焊垫1048于绝缘层102的一部分的上表面上。同时，为了明确了解印刷电路板元件10的架构，垂直方向上的比例较水平方向要大得多。也就是说，实际的印刷电路板元件比图3所示的要薄的多。图3显示激发电路1044与接点焊垫1048的布局。事实上，工作电路1042、激发电路1044、第一接点焊垫1046与第二接点焊垫1048是由相同的制程制作的。第一接点焊垫1046与第二接点焊垫1048由在阻焊膜106中形成开口而制成，打线结合及元件焊结在多个第一接点焊垫1046与多个第二接点焊垫1048上。第二接点焊垫1048与激发电路1044用在不同的功能上。然而，第二接点焊垫1048应制作来连接激发电路1044的某处，虽然第二接点焊垫1048在这剖面上看来和激发电路1044是分开的。不同的显示效果(激发电路1044的剖面以斜线填充，第二接点焊垫1048的剖面是实心填充)能够用来在视觉上区别二者。第二接点焊垫1048显示的较激发电路1044稍高。事实上，它们在厚度方向上是差不多高的，高出的高度用 来说明第二接点焊垫1048露出多个开口且焊接到其上的元件。激发电路1044将不会直接接触焊料，因为有阻焊膜106在其间。第二接点焊垫1048与激发电路1044形成于围绕生物传感芯片200设计的位置。

工作电路1042与第一接点焊垫1046的布局显示于图4中。最好，工作电路1042与第一接点焊垫1046应位于远离生物传感芯片200但接近生物传感芯片200的I/O端口处。相似地，不同的显示效果(工作电路1042的剖面以斜线填充，第一接点焊垫1046的剖面是实心填充)能够用来在视觉上区别二者。第一接点焊垫1046显示的较工作电路1042稍高，仅用来说明第一接点焊垫1046露出多个开口且与生物传感芯片200的I/O焊垫电连接。此处，连接的方法是打线连接，但也可以应用其它形成电连接的可靠方法。

工作电路1042的功能主要是连接印刷电路板元件10与印刷电路板元件10装设的其它设备。当然，任何对印刷电路板元件10正常运作的协助设计可以出现在工作电路1042中，比如静电放电保护(Electrostatic Discharge，ESD)。激发电路1044基本上是一条线路，用来传递激发信号，从生物传感芯片200传递到人体，以增强的生物传感芯片200的性能。激发信号的效能直接受到激发电路1044与物体(例如手指)间的阻抗影响。减少激发电路1044与该物体间的距离将减少存在其间的阻抗，进一步改善激发信号的效能。生物传感芯片200相对导电层104厚一些。相较于生物传感芯片200与该物体间的距离，激发电路1044与该物体间较大的距离将显著降低激发信号的效能。因此，必须有一些其它导电结构覆盖于激发电路1044上，用于降低激发电路1044与该物体间的阻抗，且在大于等于生物传感芯片200的上表面的高度上提供该激发信号。事实上，激发电路1044的物理形状可能会变化，例如，信号线、圆环、圆弧、矩形环、或者多行状等。第一接点焊垫1046用来连接生物传感芯片200的I/O焊垫。第二接点焊垫1048形成在激发电路1044中，用来连接导电元件300。

生物传感芯片200装设在印刷电路板100上，它包含三种主要部件：感测区202、多个接合焊垫204与激发信号源206。生物传感芯片200可以是当外部电压施加时，用来侦测人体生物辨识特征的任何芯片，感测区202用来进行前工作。在本实施例中，生物传感芯片200为指纹感测芯片。每一接合焊垫204 电连接至对应的第一接点焊垫1046。接合焊垫204是生物传感芯片200的I/O端口。激发信号源206经由接合焊垫204电连接至激发电路1044，以提供该激发信号。激发信号是一种电容耦合的激发信号，从生物传感芯片200经由导电元件300发送到被侦测物体。此外，电容耦合的激发信号可减少低频(约60Hz)信号干扰，进一步降低生物传感芯片200输出信号的噪讯，并防止生物传感芯片200故障。此外，该激发信号可以是一系列的电压阶差变化，其不具有常规周期。理想上来说，生物传感芯片200应提供足够的电压来产生该激发信号。然而，当更多的元件出现在激发信号源206与被侦测物体间时，激发信号的功率可能会衰减。最好，激发电路1044能具有信号增强单元(未示出)，比如放大器，用来增强激发信号到某个程度，以致激发信号的电压能导致生物传感芯片200所需的操作。

依照本发明，导电元件为小型导电元件300或者微型导电元件，小型导电元件300是一种用于生物传感芯片的创新应用。小型导电元件300的尺寸与表面黏着元件的尺寸相一致，也就是说，小型导电元件300具有接近于表面黏着元件的大小，能简易地使用表面黏着技术装设到印刷电路板100上。最好，小型导电元件300本身就是一种表面黏着元件(表面黏着电阻较佳)。如果可以，也能使用导电芯片或金属长方体。每一小型导电元件300装设到第二接点焊垫1048上，它能传送激发信号给接近物体。小型导电元件300必须由导电材料制造。小型导电元件300的布局用来取代传统的信号释放结构，如金属环、金属框或金属条。当激发电路1044围绕或邻近生物传感芯片200布设，依照传统作法，该激发电路1044应于其上结合金属框。但相反地，依照本发明，小型导电元件300经由第二接点焊垫1048连接到激发电路1044以取代金属框。请见图5中传统结构与本发明的比较，标记为黑色的金属框600位于在激发电路1044的上方。与金属框600相较，多个小型导电元件300具有相近的整体面积，用以释放该激发信号。然而，小型导电元件300间是分散的。如上所述，如果使用金属框600，因为热膨胀及/或收缩，整体的封装可能会开裂。为了更精确地，这是因为体积变化量太大而导致保护层400大量的内应力。当金属框600由小型导电元件300取代时，小型导电元件300的应变相对地小。保护层400将不 会受过高的应力而产生裂缝裂开。同时，金属框600的功能可转换到小型导电元件300上。此外，有几个使用表面黏着元件的优点：1)制作过程利用标准表面黏着技术制程，该制程已是成熟的技术；2)表面黏着元件的成本远低于金属环、金属框或金属条的成本；3)可免除制作金属环、金属框或金属条的额外模具成本。

要注意的是小型导电元件300有其限制。请参见图3。在印刷电路板元件10形成后，每一小型导电元件300的上表面的高度应大于等于生物传感芯片200的高度。至少，小型导电元件300的上表面的高度不能低于生物传感芯片200的高度。如果小型导电元件300的上表面的高度低于生物传感芯片200的高度，小型导电元件300的效能将会降低。

保护层400形成覆盖于印刷电路板100、生物传感芯片200及小型导电元件300上。它具有一个平坦的上表面。保护层400通常由铸模复合物材料制成。最好，铸模复合物材料是环氧树脂。保护层400为印刷电路板元件10提供基本的保护。额外的硬涂层500可能需要用来改进封装的表面特性，诸如耐冲击性和机械耐磨损性等等。因为印刷电路板元件10的上表面通常会遭遇到环境污染，例如水渍与油渍，而这些污染可能会降低生物传感芯片200的效能，硬涂层500能由疏油性和疏水性材料制成，覆盖保护层400。

本发明的另一实施例中，提供一种制造前述的印刷电路板元件10的方法。请参见图6，该方法的程序如下所述。首先，提供印刷电路板100、生物传感芯片200与小型导电元件300(S01)。接着，将每一接合焊垫204电连接至对应的第一接点焊垫1046，装设生物传感芯片200到印刷电路板100上(S02)。接着，安装多个小型导电元件300分别到多个第二接点焊垫1048上，部分第二接点焊垫1048与装设的小型导电元件300电连接(S03)。在此阶段，形成该保护层400(S04)。最后，形成由疏油性和疏水性材料制成的硬涂层500，覆盖于保护层400上(S05)。事实上，考虑成本，硬涂层500可以是不需要的，制造步骤停在步骤S04。实作上，步骤S02与S03的顺序可以对调。印刷电路板元件10的其它元件能于步骤S02或S03安装上去，这不为本发明所限制。

在本发明的一实施例中，小型导电元件300具有接近表面黏着元件的大小。 很明显地，小型导电元件300的带下如同表面黏着元件型号0201。这意味着小型导电元件300从俯视图来看是0.6mm×0.3mm。事实上，依照本发明，其它大尺寸的小型导电元件也可以使用，举例来说，表面黏着元件型号0402(1.0mm×0.5mm)或0603(1.6mm×0.8mm)。请参见图7。在图7中，表面黏着元件型号0201的小型导电元件300的尺寸可由型号0603表面黏着元件302取代。因为每一表面黏着元件302的尺寸较大，表面黏着元件302的排列应要改变。举例来说，图7中的表面黏着元件302由图2中小型导电元件300的方向旋转90°。要注意的是较大的小型导电元件的排列，邻近小型导电元件间足够的空间应预留，以防因大应变造成的裂缝。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。