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TWI537837B - 指紋辨識晶片封裝結構及其製作方法 - Google Patents

指紋辨識晶片封裝結構及其製作方法 Download PDF

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TWI537837B
TWI537837B TW104118906A TW104118906A TWI537837B TW I537837 B TWI537837 B TW I537837B TW 104118906 A TW104118906 A TW 104118906A TW 104118906 A TW104118906 A TW 104118906A TW I537837 B TWI537837 B TW I537837B
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林士熙
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南茂科技股份有限公司
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Description

指紋辨識晶片封裝結構及其製作方法
本發明是有關於一種晶片封裝結構及其製作方法，且特別是有關於一種指紋辨識晶片封裝結構及其製作方法。
指紋辨識晶片封裝結構能夠裝設於各類的電子產品，例如智慧型手機、行動電話、平板電腦、筆記型電腦以及個人數位助理(PDA)等，用以辨認使用者的指紋。現有的指紋辨識晶片封裝大致可分成以軟性電路板或硬式電路板作為承載件的封裝方式。軟性電路板的指紋辨識晶片封裝結構通常是將用以辨識使用者的指紋的感測線路設置於軟性電路板上，而使用者透過接觸軟性電路板上的感測線路來進行指紋辨識。然而此種封裝方式是透過軟性電路板上的感測線路傳送訊號至指紋辨識晶片，相較於直接於指紋辨識晶片上進行指紋感測的方式，其反應速度較慢。而另一種常見的指紋辨識晶片封裝結構則主要包含線路載板、指紋辨識晶片、多個焊線以及封裝膠體，其中用以辨識使用者的指紋的感測區域大多是位於指紋辨識晶片的主動表面。而指紋辨識晶片通 常是以其背面貼合於線路載板上，並透過打線接合的方式以焊線電性連接指紋辨識晶片的主動表面與線路載板。因此，在形成封裝膠體於線路載板上以包覆指紋辨識晶片時，封裝膠體會包覆焊線以及部分的指紋辨識晶片，並且暴露出位於指紋辨識晶片的主動表面上的感測區。
首先，由於焊線突出的高度會使得封裝膠體的厚度無法降低，因此指紋辨識晶片封裝結構的整體厚度難以縮減。再者，在使用者反覆碰觸感測區域的情況下，極可能造成焊線自指紋辨識晶片或線路載板斷開，使得指紋辨識晶片封裝結構的感測靈敏度下降，或者是故障、損壞。此外，指紋辨識晶片的主動表面上佈設有積體電路的上層金屬層及接墊，以及覆蓋上層金屬層的鈍化層(passivation layer)，這些凸起的上層金屬層及接墊使得主動表面的平整度不一，當使用者以手指接觸主動表面時，極可能因為主動表面不夠平整而導致指紋辨識困難或感測靈敏度降低。
本發明提供一種指紋辨識晶片封裝結構，其具有良好的感測靈敏度。
本發明提供一種指紋辨識晶片封裝結構的製作方法，其能符合薄型化的設計需求。
本發明提出一種的指紋辨識晶片封裝結構，其包括線路載板以及指紋辨識晶片。指紋辨識晶片設置於線路載板上。指紋 辨識晶片包括晶片本體以及多個感測結構。晶片本體具有主動表面、相對於主動表面的指紋辨識背表面、位於主動表面的多個接墊以及貫穿主動表面與指紋辨識背表面的多個通孔。晶片本體以主動表面電性連接至線路載板。這些感測結構分別設置於這些通孔內。各個感測結構包括第一介電層、第一金屬層、第二介電層以及第二金屬層。第一介電層暴露於指紋辨識背表面。第一金屬層連接第一介電層。第二介電層連接第一金屬層。第二金屬層連接第二介電層。第二金屬層延伸至主動表面，以與對應的接墊電性連接。
在本發明的一實施例中，上述的指紋辨識晶片封裝結構更包括封裝膠體。封裝膠體至少形成於指紋辨識晶片的主動表面與線路載板之間，並暴露出指紋辨識晶片的指紋辨識背表面。
在本發明的一實施例中，上述的第一介電層在指紋辨識背表面上定義出感測區域。
在本發明的一實施例中，上述的第一介電層的材質包括高介電常數材料。
在本發明的一實施例中，上述的高介電常數材料包括氮化矽(Si3N4)、氧化鋁(Al2O3)、二氧化鉿(HfO2)、氧化釔(Y2O3)、氧化鑭(La2O3)、氧化鈰(CeO2)、氧化鏑(Dy2O3)、五氧化二鉭(Ta2O5)、氧化鐠(Pr2O3)、二氧化鈦(TiO2)或二氧化鋯(ZrO2)。
在本發明的一實施例中，上述的第一介電層暴露於指紋辨識背表面的端面與指紋辨識背表面齊平。
在本發明的一實施例中，上述的指紋辨識晶片封裝結構更包括多個凸塊。這些凸塊分別連接這些接墊。指紋辨識晶片透過這些凸塊覆晶接合於線路載板上。
本發明提出一種的指紋辨識晶片封裝結構的製作方法，其包括以下步驟。提供半導體基板。半導體基板具有主動表面、相對於主動表面的背表面以及位於主動表面的多個接墊。形成多個盲孔於主動表面。於各個盲孔內依序形成第一介電層、第一金屬層、第二介電層以及第二金屬層，並使各個第二金屬層延伸至主動表面上，以分別與這些接墊的其中之一電性連接。各個盲孔內的第一介電層、第一金屬層、第二介電層以及第二金屬層構成感測結構。對半導體基板的背表面進行薄化製程，以形成暴露出這些第一介電層的指紋辨識背表面。切割半導體基板以形成多個指紋辨識晶片。各個指紋辨識晶片包含有多個感測結構。使至少一指紋辨識晶片以主動表面電性連接至線路載板。
在本發明的一實施例中，上述的指紋辨識晶片封裝結構的製作方法更包括在對半導體基板的背表面進行薄化製程，以形成暴露出這些第一介電層的指紋辨識背表面之後，形成多個凸塊於主動表面上，這些凸塊分別連接這些接墊，且指紋辨識晶片透過這些凸塊覆晶接合於線路載板上。
在本發明的一實施例中，上述的指紋辨識晶片封裝結構的製作方法更包括形成封裝膠體至少填充於指紋辨識晶片的主動表面與線路載板之間，並暴露出指紋辨識晶片的指紋辨識背表面。
基於上述，本發明的指紋辨識晶片封裝結構是將用以辨識使用者的指紋的感測區域設置於指紋辨識晶片的背表面，並以覆晶接合的方式來電性連接指紋辨識晶片的主動表面與線路載板。相較於現有將感測區域設置於指紋辨識晶片的主動表面，並以打線接合的方式來電性連接指紋辨識晶片的主動表面與線路載板的指紋辨識晶片封裝結構而言，本發明的指紋辨識晶片封裝結構並不會發生因使用者反覆碰觸感測區域以致焊線斷裂而造成感測靈敏度下降的情形，因而具有較佳的可靠度。再者，由於本發明的指紋辨識晶片封裝結構並無需透過打線接合的方式來電性連接紋辨識晶片的主動表面與線路載板，因此能有助於縮減其封裝膠體的厚度，藉以符合薄型化的設計需求。
另一方面，本發明的指紋辨識晶片埋設有電容感測結構，並且由電容感測結構暴露於指紋辨識晶片的指紋辨識背表面的部分(即第一介電層)定義出感測區域。也就是使用者是以手指抵觸位於指紋辨識背表面的感測區域，藉由手指指紋的凹凸部位與感測結構之間的距離差異造成電容值變化，感測所得的電容值變化便可轉換成指紋畫像以供辨識。由於指紋辨識背表面係經由薄化半導體基板之背表面而形成，且於指紋辨識背表面上並未設置有線路，其平整度及結構強度佳，因此能具有良好的感測靈敏度。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
100‧‧‧指紋辨識晶片封裝結構
101‧‧‧感測結構
110‧‧‧半導體基板
110a‧‧‧晶片本體
1101‧‧‧指紋辨識晶片
111‧‧‧主動表面
112‧‧‧背表面
112a‧‧‧指紋辨識背表面
113‧‧‧接墊
114‧‧‧盲孔
114a‧‧‧通孔
115‧‧‧凸塊
120‧‧‧第一介電層
130‧‧‧第一金屬層
140‧‧‧第二介電層
150‧‧‧第二金屬層
160‧‧‧線路載板
170‧‧‧封裝膠體
R1‧‧‧感測區域
C‧‧‧切割道
圖1A至圖1F是本發明一實施例的指紋辨識晶片封裝結構的製作流程圖。
圖1A至圖1F是本發明一實施例的指紋辨識晶片封裝結構的製作流程圖。請先參考圖1A，提供半導體基板110，例如是矽基板。半導體基板110具有主動表面111、相對於主動表面111的背表面112以及位於主動表面111的多個接墊113。具體來說，半導體基板110內包含有積體電路(Integrated Circuit)，積體電路鄰近主動表面111，且由多層的金屬層和介電層自半導體基板110內交錯疊置而成，並於主動表面111上形成上層金屬層及接墊113。此外，半導體基板110上另具有鈍化層覆蓋上層金屬層且暴露出接墊113。接墊113的材質可以是鋁、銅、銀、鎳、金或其他合適的導電金屬。接著，可透過雷射鑽孔或機械鑽孔等方式在主動表面111上形成多個盲孔114。也就是說，這些盲孔114的開口會暴露於半導體基板110的主動表面111。在未繪示的實施例中，如自主動表面111所在側俯視半導體基板110，這些盲孔114的排列方式可呈矩陣排列、線性排列、環形排列、放射狀排列、扇狀排列、十字排列或其他適當的排列方式，端視設計需求而定。
接著，請參考圖1B，於各個盲孔114內依序形成第一介電層120、第一金屬層130、第二介電層140以及第二金屬層150， 並使各個第二金屬層150延伸至主動表面111上，以分別與對應的接墊113電性連接。詳細而言，第一介電層120、第一金屬層130、第二介電層140以及第二金屬層150例如是透過物理氣相沉積或化學氣相沉積等方式，自各個盲孔114的底部朝向各個盲孔114的開口依序形成。意即，各個第一介電層120抵貼對應的盲孔114的底部，各個第一金屬層130連接於對應的第一介電層120與第二介電層140之間，且各個第二介電層140連接暴露於對應的盲孔114的第二金屬層150。
此處，第一介電層120的材質包括高介電常數材料(high-k material)，例如氮化矽(Si3N4)、氧化鋁(Al2O3)、二氧化鉿(HfO2)、氧化釔(Y2O3)、氧化鑭(La2O3)、氧化鈰(CeO2)、氧化鏑(Dy2O3)、五氧化二鉭(Ta2O5)、氧化鐠(Pr2O3)、二氧化鈦(TiO2)或二氧化鋯(ZrO2)等。另一方面，第二介電層140亦可為高介電常數材料。通常而言，第一金屬層130以及第二金屬層150可以是由銅、銀、錫、鋁、鎳、金或其他合適的導電金屬所構成。各個盲孔114內的第一介電層120、第一金屬層130、第二介電層140以及第二金屬層150構成感測結構101，且例如是電容感測結構。具體來說，各個盲孔114內的第一金屬層130及第二金屬層150可由第二介電層140間隔開來以構成如電容器的結構。
接著，請參考圖1C，對半導體基板110的背表面112進行薄化製程(例如化學機械研磨)，以在薄化半導體基板110後暴露出這些第一介電層120。此時，薄化後的半導體基板110中暴露出 這些第一介電層120的表面稱之為指紋辨識背表面112a，而容納第一介電層120、第一金屬層130、第二介電層140以及第二金屬層150的孔隙成為貫穿主動表面111與指紋辨識背表面112a的通孔114a。
接著，請參考圖1D，例如透過電鍍的方式在主動表面111上形成多個凸塊115，且這些凸塊115分別連接這些接墊113。一般來說，這些凸塊115的材質可為金、銅或其他適合的導電金屬。接著，請參考圖1E，以雷射切割或機械切割等方式沿著半導體基板110上的切割道C切割半導體基板110以形成多個指紋辨識晶片1101(圖1E繪示出兩個以示意)。詳細而言，各個指紋辨識晶片1101包括晶片本體110a以及埋設於晶片本體110a的多個感測結構101。晶片本體110a具有主動表面111、相對於主動表面111的指紋辨識背表面112a、位於主動表面111的多個接墊113以及貫穿該主動表面111與指紋辨識背表面112a的多個通孔114a。這些感測結構101分別埋設於這些通孔114a。各個感測結構101的第一介電層120暴露於指紋辨識背表面112a。各個感測結構101的第二金屬層150暴露於主動表面111。
之後，請參考圖1F，使至少一指紋辨識晶片1101(圖1F繪示出一個)以主動表面111電性連接至線路載板160。具體來說，指紋辨識晶片1101例如是透過凸塊115覆晶接合於線路載板160上的圖案化線路，以與線路載板160電性連接。於本實施例中，線路載板160可為軟性印刷電路板。在指紋辨識晶片1101透過凸 塊115覆晶接合於線路載板160上之後，可形成封裝膠體170於線路載板160上。封裝膠體170至少填充於指紋辨識晶片1101的主動表面111與線路載板160之間，以保護指紋辨識晶片1101與線路載板160之間的電性接點，並且封裝膠體170暴露出指紋辨識晶片1101的指紋辨識背表面112a。至此，指紋辨識晶片封裝結構100的製作已大致完成。
相較於現有將感測區域設置於指紋辨識晶片的主動表面，並以打線接合的方式來電性連接指紋辨識晶片的主動表面與線路載板的指紋辨識晶片封裝結構而言，本實施例的指紋辨識晶片封裝結構100是透過覆晶接合的方式來電性連接指紋辨識晶片1101與線路載板160，故不會發生因使用者反覆碰觸感測區域以致焊線斷裂而造成感測靈敏度下降的情形。換言之，本實施例的指紋辨識晶片封裝結構100具有較佳的可靠度。另一方面，由於本實施例的指紋辨識晶片封裝結構100並無需透過打線接合的方式來電性連接指紋辨識晶片1101的主動表面111與線路載板160，因此能有助於縮減其封裝膠體170的厚度，藉以符合薄型化的設計需求。
請繼續參考圖1F，各個第一介電層120暴露於指紋辨識背表面112a，且各個第一介電層120暴露於指紋辨識背表面112a的端面與指紋辨識背表面112a齊平。另一方面，這些第一介電層120可在指紋辨識背表面112a定義出感測區域R1。當使用者以其手指抵觸感測區域R1時，手指指紋的凹凸部位與感測結構101之 間的距離差異會造成電容值變化，感測所得的電容值變化便可轉換成指紋畫像以供辨識。由於本實施例的感測結構101直接設置於指紋辨識晶片1101中，相較於現有將感測區域設置於軟性電路板上的指紋辨識晶片封裝結構而言，本實施例的指紋辨識晶片封裝結構100的電性傳輸距離較短，因此能具有較快的反應速度及較佳的感測靈敏度。此外，由於本實施例的感測區域R1是位於指紋辨識背表面112a，相較於現有將感測區域設置於指紋辨識晶片的主動表面的指紋辨識晶片封裝結構而言，指紋辨識背表面112a具有較佳的平整度及結構強度，因此能提升感測靈敏度。在未繪示的實施例中，這些感測結構101的第一介電層120在感測區域R1內可呈矩陣排列、線性排列、環形排列、放射狀排列、扇狀排列、十字排列或其他適當的排列方式，端視手指指紋特徵的擷取需求而定。
綜上所述，本發明的指紋辨識晶片封裝結構是將用以辨識使用者的指紋的感測區域設置於指紋辨識晶片的背表面，並以覆晶接合的方式來電性連接指紋辨識晶片的主動表面與線路載板。相較於現有將感測區域設置於指紋辨識晶片的主動表面，並以打線接合的方式來電性連接指紋辨識晶片的主動表面與線路載板的指紋辨識晶片封裝結構而言，本發明的指紋辨識晶片封裝結構並不會發生因使用者反覆碰觸感測區域以致焊線斷裂而造成感測靈敏度下降的情形，因而具有較佳的可靠度。再者，由於本發明的指紋辨識晶片封裝結構並無需透過打線接合的方式來電性連 接紋辨識晶片的主動表面與線路載板，因此能有助於縮減其封裝膠體的厚度，藉以符合薄型化的設計需求。
另一方面，本發明的指紋辨識晶片埋設有電容感測結構，並且由電容感測結構暴露於指紋辨識晶片的指紋辨識背表面的部分(即第一介電層)定義出感測區域。也就是使用者是以手指抵觸位於指紋辨識背表面的感測區域，藉由手指指紋的凹凸部位與感測結構之間的距離差異造成電容值變化，感測所得的電容值變化便可轉換成指紋畫像以供辨識。由於指紋辨識背表面係經由薄化半導體基板之背表面而形成，且於指紋辨識背表面上並未設置有線路，其平整度及結構強度佳，因此能具有良好的感測靈敏度。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧指紋辨識晶片封裝結構
101‧‧‧感測結構
110a‧‧‧晶片本體
1101‧‧‧指紋辨識晶片
111‧‧‧主動表面
112a‧‧‧指紋辨識背表面
113‧‧‧接墊
114a‧‧‧通孔
115‧‧‧凸塊
120‧‧‧第一介電層
130‧‧‧第一金屬層
140‧‧‧第二介電層
150‧‧‧第二金屬層
160‧‧‧線路載板
170‧‧‧封裝膠體
R1‧‧‧感測區域

Claims (10)

  1. 一種指紋辨識晶片封裝結構，包括：一線路載板；以及一指紋辨識晶片，設置於該線路載板上，該指紋辨識晶片包括：一晶片本體，具有一主動表面、相對於該主動表面的一指紋辨識背表面、位於該主動表面的多個接墊以及貫穿該主動表面與該指紋辨識背表面的多個通孔，該晶片本體以該主動表面電性連接至該線路載板；以及多個感測結構，分別設置於該些通孔內，各該感測結構包括：一第一介電層，暴露於該指紋辨識背表面；一第一金屬層，連接該第一介電層；一第二介電層，連接該第一金屬層；以及一第二金屬層，連接該第二介電層，該第二金屬層自該通孔內延伸至該主動表面上，其中位於該主動表面上的該第二金屬層朝向對應的該接墊延伸，以與對應的該接墊直接接觸而彼此電性連接。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的指紋辨識晶片封裝結構，更包括：一封裝膠體，至少形成於該指紋辨識晶片的該主動表面與該線路載板之間，並暴露出該指紋辨識晶片的該指紋辨識背表面。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的指紋辨識晶片封裝結構，其中該些第一介電層在該指紋辨識背表面上定義出一感測區域。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的指紋辨識晶片封裝結構，其中各該第一介電層的材質包括高介電常數材料。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的指紋辨識晶片封裝結構，其中該高介電常數材料包括氮化矽、氧化鋁、二氧化鉿、氧化釔、氧化鑭、氧化鈰、氧化鏑、五氧化二鉭、氧化鐠、二氧化鈦或二氧化鋯。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的指紋辨識晶片封裝結構，其中各該第一介電層暴露於該指紋辨識背表面的一端面與該指紋辨識背表面齊平。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的指紋辨識晶片封裝結構，更包括：多個凸塊，分別連接該些接墊，該指紋辨識晶片透過該些凸塊覆晶接合於該線路載板上。
  8. 一種指紋辨識晶片封裝結構的製作方法，包括：提供一半導體基板，該半導體基板具有一主動表面、相對於該主動表面的一背表面以及位於該主動表面的多個接墊；形成多個盲孔於該主動表面；於各該盲孔內依序形成一第一介電層、一第一金屬層、一第二介電層以及一第二金屬層，並使各該第二金屬層延伸至該主動表面上，以分別與該些接墊的其中之一電性連接，各該盲孔內的 該第一介電層、該第一金屬層、該第二介電層以及該第二金屬層構成一感測結構；對該半導體基板的該背表面進行一薄化製程，以形成暴露出該些第一介電層的一指紋辨識背表面；切割該半導體基板以形成多個指紋辨識晶片，各該指紋辨識晶片包含有多個該感測結構；以及使至少一該指紋辨識晶片以該主動表面電性連接至一線路載板。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的指紋辨識晶片封裝結構的製作方法，更包括：在對該半導體基板的該背表面進行該薄化製程，以形成暴露出該些第一介電層的該指紋辨識背表面之後，形成多個凸塊於該主動表面上，該些凸塊分別連接該些接墊，且該指紋辨識晶片透過該些凸塊覆晶接合於該線路載板上。
  10. 如申請專利範圍第8項所述的指紋辨識晶片封裝結構的製作方法，更包括：形成一封裝膠體至少填充於該指紋辨識晶片的該主動表面與該線路載板之間，並暴露出該指紋辨識晶片的該指紋辨識背表面。
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