CN103038782A - 包括在感测区域上的包封层的手指传感器和相关方法 - Google Patents

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Abstract

指纹传感器可包括衬底和手指感测IC，手指感测IC在衬底上并且包括在其上表面的用于感测相邻手指的手指感测区域。指纹传感器可包括在手指感测IC上且覆盖手指感测IC的包封材料以及与手指感测区域相邻且在包封层的最上表面上的边框。

Description

包括在感测区域上的包封层的手指传感器和相关方法
技术领域
本发明涉及电子领域，更特别地，涉及包括手指感测集成电路的手指传感器以及相关的制造方法。
背景技术
包括直接感测传感器环境中的物体的物理属性的集成电路（IC）的传感器已经广泛用于电子设备中。这些IC适合紧靠它们所测量的外部环境，但是它们不应被外部环境能施加的机械和/或电事件所损坏。
一类这种感测是手指感测和相关联的匹配，其已经成为用于个人识别或验证的可靠并且广泛使用的技术。特别地，指纹识别的普通方法包括扫描指纹样本或其图像以及存储该图像和/或指纹图像的独特特性。样本指纹的特性可以与已经在数据库中的参考指纹的信息相比较以确定个人的正确身份，诸如用于验证的目的。
转让给本申请的受让人的美国专利No.5963679和No.6259804中公开了尤其有利的指纹感测方法，其整个内容通过引用合并于此。指纹传感器是集成电路传感器，其用电场信号驱动用户的手指，并且用集成电路衬底上的电场感测像素的阵列感测电场。其他的手指感测集成电路和方法公开于也转让给本申请的受让人的题为“Multi-biometric finger sensor including electric field sensing pixelsand associated methods”的美国专利申请No.2005/0089202中，其整个内容通过引用合并于此。
许多现有技术参考文献公开了各种类型的IC传感器封装。例如，Wu等人的美国专利No.6646316公开了一种包括感测管芯的光学传感器，在管芯的上表面上有焊盘。柔性电路板耦接到焊盘并且具有在感测表面上方的开口。透明玻璃层覆盖柔性电路板中的开口。Manansala的美国专利No.6924496公开了指纹传感器的类似柔性电路贴附，但是使表面上方的区域开放。
Kasuga等人的美国专利No.7090139公开了一种智能卡，包括具有贴附到薄布线膜的焊盘的指纹传感器，且还包括在感测表面上方的窗口或开口。Kozlay的美国专利申请公开No.2005/0139685公开了用于指纹传感器的类似布置。
一些指纹传感器基于薄膜技术，诸如Bustgens等人的美国专利申请公开No.2006/0050935中公开的那样。另一些指纹传感器可包括在柔性衬底上的感测元件，诸如Benkley III的美国专利No.7099496中公开的那样。这些传感器可能比基于集成电路的传感器稍微更耐用，但是会具有性能缺点。
Ryhanen等人的美国专利申请公开No.2005/0031174公开了一种覆盖用于电容电极指纹感测的特定用途集成电路（ASIC）的柔性电路板，其中感测电极在柔性衬底的表面上且覆盖有薄的保护聚合物层。在一些实施例中，传感器可以使柔性电路卷绕到ASIC的背侧以用于贴附到球栅形式的电路板。
转让给本发明的受让人的美国专利No.5887343公开了指纹传感器封装的一实施例，其包括在手指感测IC的手指感测区域上的层。具有用于感测区域的开口的芯片载体经由透明层的周边区域耦合到（电容地或电地）IC上的焊盘。
手指感测IC当前用在一些蜂窝电话手机上以捕获指纹用于用户识别和捕获手指动作用于菜单导航。完全包围硅芯片的标准IC封装方法不用于这些传感器，因为传感器用于测量指纹的感测场（例如，电场、热场等）不能有效穿过封装。由于这些原因，在现今的系统中，IC或芯片通常封装得使手指能在读取操作期间直接接触芯片表面上的钝化层。为了在储存和运输（在口袋或包中）期间进行保护以免于物理损伤，手机通常设计为在不进行操作时折叠闭合，保护安装在折叠器件的内表面上的传感器组件。
然而，在许多情形下优选能将传感器安装在手机的未被保护的外表面上。这将允许不打开蛤壳状手机就能使用传感器，且将允许IC传感器用在不折叠闭合的手机上，诸如所谓的“糖棒”电话。
不幸的是，使用暴露在器件的外表面上的手指感测IC将可能使传感器受到机械和/或电应力，该应力在储存期间未被其上有折叠盖的传感器看见。例如，口袋或包中的器件将受到刮蹭、磨损、点冲撞、连续点压力和剪切冲击力。用于可封闭情况的传感器的封装技术不太可能为硅芯片提供适当的保护。
发明内容
鉴于前述背景，因此本发明的目的在于提供一种具有增强的封装特征的手指传感器和相关的方法。
根据本发明的该以及其他目的、特征和优点通过一种指纹传感器来提供，该指纹传感器可包括衬底和手指感测IC，手指感测IC在衬底上且包括在其上表面上的手指感测区域以用于感测邻近的手指。指纹传感器还可包括在手指感测IC上且覆盖手指感测区域的包封材料以及与手指感测区域相邻且在包封层的最上表面上的边框。有利地，指纹传感器可具有减少的封装且具有机械坚固性。
更具体而言，包封材料可包括覆盖手指感测区域的体部分和从体部分的周边延伸的凸缘部分，边框在凸缘部分上。边框的外表面可以完全暴露，手指感测区域可以被包封材料完全覆盖。
在一些实施例中，手指感测区域可以包括由手指感测IC的上表面承载的电场感测电极的阵列。指纹传感器还可包括耦合到边框的至少一个驱动电路从而边框定义驱动电极。指纹传感器还可包括至少一个耦合到边框的静电放电（ESD）电路从而边框还定义ESD电极。
在另一些实施例中，指纹传感器可包括在衬底上且包括连接器部分的柔性电路层。柔性电路层可以在衬底的与手指感测IC相反的主表面上。指纹传感器还可包括由柔性电路层承载的开关。
例如，边框可包括实心金属性的环。替选地，边框可包括在包封材料上的导电层。指纹传感器还可包括多条键合导线、扇出电路互连、倒装芯片互连和带上芯片互连中的至少一种以用于耦合衬底和手指感测IC并且其嵌入在包封材料中。
另一方面涉及一种制造指纹传感器的方法。该方法可包括：将手指感测IC定位在衬底上，手指感测IC包括在其上表面上的手指感测区域以用于感测相邻的手指；在手指感测IC上形成包封材料，包封材料覆盖手指感测区域；以及将边框定位得与手指感测区域相邻并且在包封层之上以用于驱动相邻的手指。
附图说明
图1是根据本发明的包括手指传感器的蜂窝电话的示意性平面图。
图2是根据本发明的手指传感器的透视图。
图3是图2的手指传感器的俯视平面图。
图4是图2的手指传感器的侧视图。
图5是沿线5-5取得的图3的手指传感器的剖视图。
图6是根据本发明的手指传感器的另一实施例的透视图。
图7是沿线7-7取得的图6的手指传感器的剖视图。
图8是根据本发明的手指传感器的另一实施例的透视图。
图9是根据本发明的手指传感器的另一实施例的透视图。
具体实施方式
下面将参照附图更全面地描述本发明，附图中示出本发明的优选实施例。然而，本发明能以许多不同形式体现且不应理解为局限于这里阐述的实施例。而是，提供这些实施例使得使得本公开将彻底和完整，并且将向本领域技术人员充分传达本发明的范围。相似的附图标记始终指示相似的元件，加撇符号用于指示替选实施例中类似的元件。
一开始参照图1-5描述根据本发明的手指传感器30的实施例。手指传感器30示范性地安装在糖棒型蜂窝电话20的暴露表面上。所示的糖棒型蜂窝电话20较紧凑且不像其他类型蜂窝电话中可能做的那样包括翻盖或其他装置来保护手指传感器30。当然，手指传感器30也可以用于这些其他更具保护性的蜂窝电话，如本领域技术人员将意识到的那样。手指传感器30也还可以用于其他便携或固定电子设备。手指传感器30的提高的耐用性和坚固性可允许其广泛使用，即使在被暴露时。
蜂窝电话20包括外壳21、由外壳所承载的显示器22、以及也由外壳所承载并且连接到显示器和手指传感器30的处理器/驱动电路23。还示出输入键24的阵列，其被提供和用于典型的蜂窝电话拨号盘和本领域技术人员将意识到的其他应用。
手指传感器30可以是滑动型，其中用户的手指26在感测区域上滑动以产生指纹图像的序列。替选地，手指传感器30可以是静止放置型，其中用户简单地将其手指26放置到感测表面上以产生指纹图像。当然，手指传感器30还可以包括嵌入在其中和/或与处理器/驱动电路23协作的电路以提供菜单导航和选择功能，如本领域技术人员将意识到的那样。
如也许最佳在图2-5中所示的那样，手指传感器30示范性地包括衬底35、安装在衬底上的手指感测IC34以及耦合衬底和手指感测IC的键合导线32。在另一些实施例中，键合导线32可以被其他互连方法代替或补充，诸如扇出电路、倒装芯片或带上芯片（chip on tape）。手指感测IC34示范性地包括在其上表面上的手指感测区域。手指感测区域可包括由手指感测IC34的上表面所承载的感测电极的阵列，诸如用于电场手指感测，例如，如美国专利No.5963679和No.6259804中公开的那样，其整个内容通过引用合并于此。
手指传感器30示范性地包括包封手指感测IC34且覆盖手指感测区域的包封层33。换言之，手指感测IC34透过包封层33感测用户的指纹。为了该目的，包封层33示范性地包括凹陷部分37用于接收用户的手指。特别地，凹陷部分37是薄的，用于允许透过其进行感测。例如，厚度可以在2-500微米的范围，更优选地在10-250微米的范围。包封层33还示范性地包括在衬底35上并且围绕手指感测IC34和键合导线32的周边凸缘部分38。此外，包封层33示范性地包括耦合凸缘部分和凹陷部分37的隆起斜坡凸起部分40，其帮助将用户的手指保持在适当位置并且提供保护以防止耦合到焊盘、导线键合或其他互连器件的ESD。
如所示范的实施例中所示，隆起斜坡凸起部分40与凹陷部分37相比具有更大的厚度，由此保护键合导线32免于电耦合。在另一些实施例中，隆起斜坡凸起部分40可具有与凹陷部分37相等的厚度，即，可以没有隆起凸起部分。此外，凸缘部分38示范性地包括内台部，其提供对边框31的结构支承。在一些实施例中，包封层33提供与衬底的气密密封，由此增加对手指传感器的额外保护以免受污染物影响且还提供机械损伤保护（或机械坚固性）。
手指传感器30示范性地包括在包封层38上（即，在包封层顶上）的边框31。更具体而言，边框居于凸缘部分38上且可以利用在其间的粘合层或者利用机械过盈布置而固定到凸缘部分38。
在使用电场感测电极的手指传感器30的实施例中，边框31可以耦合到电路以用作驱动用户的手指的驱动电极。此外，手指传感器30示范性地包括在衬底35上的导电迹线（trace）36以用于将边框31耦合到其上。换言之，在这些实施例中，手指传感器30不包括耦合到边框31的任何导线，这增强了器件的机械强度。例如，边框31可包括金属或其他导电材料。在一些实施例中，ESD保护电路可耦合到边框31。
手指传感器30还可包括由衬底35承载的至少一个电子部件。例如，该至少一个电子部件可包括分立部件和另一IC中的至少一个。
手指传感器30还可包括在衬底35的相反侧的导电迹线（未示出）以用于提供到外部电路的连接。导电迹线可以形成例如焊堤（land）网格阵列或者球栅阵列封装。
有利地，手指传感器30提供减小的封装尺寸。例如，手指传感器30可以具有8.0mm×8.0mm×1.2mm的尺寸。边框31可具有10-30mm2的面积。
此外，在使用电场感测电极的手指传感器30的实施例中，手指传感器示范性地包括经由衬底35上的导电迹线36耦合到手指感测IC34的ESD保护电路51、驱动电路52和电场感测电路53。这些电路与手指感测IC34和边框31协作以感测用户指纹且提供ESD保护。
现在参照图6-7描述手指传感器30的另一实施例。在该实施例的手指传感器30'中，上面已经关于图1-5论述了的那些元件被赋予加撇符号且大多数不需要在这里进一步论述。本实施例与先前的实施例的不同之处在于手指传感器30'不包括单独的导电边框。替代地，在这些实施例中，手指传感器30'示范性地包括在包封层38'上的导电镀层39'以提供驱动环和/或ESD电极。此外，包封层38'的表面可以被图案化或纹理化以允许导电镀层39'的更佳粘合。导电镀层39'延伸在键合导线32'上以提供对键合导线连接的良好ESD保护，如本领域技术人员将意识到的那样。此外，包封层38'在手指感测IC34'之上没有薄化，即没有上述实施例中那样的凹陷部分。
导电镀层39'延伸于包封层38'的径向边缘上以及凸缘部分38'上。手指传感器30'还示范性地包括将导电镀层39'耦合到衬底35'上的导电迹线的电极54'以及为连接提供机械强度的导电环氧树脂55'。有利地，这提供了从手指传感器30'封装的顶部到底部的低电阻电路。
现在参照图8描述手指传感器30的另一实施例。在该实施例的手指传感器30"中，上面已经关于图1-5论述了的那些元件被赋予双撇标记且大多数不需要在这里进一步论述。该实施例与前面的实施例的不同之处在于手指传感器30"还包括耦合到衬底35"的柔性电路41"。如本领域技术人员将认识到的那样，柔性电路41"利用例如表面安装技术耦合到衬底35"。柔性电路41"示范性地包括挠曲部分42"和耦合的哦啊其的连接器部分43"。连接器部分43"示范性地包括在其上的多个导电迹线44a"-44b"以用于提供外部连接，诸如零插入力（ZIF）连接器接口。
在某些实施例中，蜂窝电话的外壳（未示出）可包括用于接收手指传感器30"的凹陷部分和在其中的用于接收柔性电路41"的开口，柔性电路41"将耦合到承载在外壳中的内部IC板。
现在参照图9描述手指传感器30的另一实施例。在该实施例的手指传感器30'"中，上面已经关于图8论述了的那些元件被赋予三撇标记且大多数不需要在这里进一步论述。该实施例与前面的实施例的不同之处在于手指传感器30"'还包括安装在柔性电路41'"上的第二衬底46'"和在第二衬底的相反侧的机械按钮开关45'"。例如，机械按钮开关45'"可包括气密密封的按钮开关（或带通风孔的按钮开关），其能提供电力接通/断开或其他功能，如本领域技术人员将意识到的那样。更具体而言，第二衬底46'"可包括在其上的导电迹线以用于耦合到柔性电路41'"上的导电迹线。
在某些实施例中，蜂窝电话的外壳（未示出）可包括用于安装手指传感器30"的凹陷部分。手指传感器30'"在位于凹陷部分中时可以被用户可动地垂直位移以用于选择性地按压机械按钮开关45'"。换言之，用户可以像典型的机械开关那样操作手指传感器30'"。此外，在另一些实施例中，连接部分43'"可包括多个导电迹线44a'"-44b'"以用于将机械按钮开关45'"耦合到外部电路。
受益于前面的说明以及相关附图中给出的教导的本领域技术人员将会想到本发明的许多修改和其他实施例。因此应理解，本发明不限于所公开的特定实施例，并且修改和实施例旨在被包括在所附权利要求的范围内。

Claims (22)

1.一种指纹传感器，包括：
衬底；
手指感测集成电路IC，在所述衬底上且包括在其上表面上的用于感测邻近的手指的手指感测区域；
包封材料，在所述手指感测IC上且覆盖所述手指感测区域；以及
边框，与所述手指感测区域相邻且在所述包封层的最上表面上。
2.如权利要求1所述的指纹传感器，其中，所述包封材料包括覆盖所述手指感测区域的体部分和从所述体部分的周边延伸的凸缘部分，其中所述边框在所述凸缘部分上。
3.如权利要求1所述的指纹传感器，其中，所述边框的外表面被完全暴露，所述手指感测区域被所述包封材料完全覆盖。
4.如权利要求1所述的指纹传感器，其中，所述手指感测区域包括由所述手指感测IC的上表面所承载的电场感测电极的阵列。
5.如权利要求1所述的指纹传感器，还包括耦合到所述边框的至少一个驱动电路从而所述边框定义驱动电极。
6.如权利要求1所述的指纹传感器，还包括耦合到所述边框的至少一个静电放电ESD电路从而所述边框还定义ESD电极。
7.如权利要求1所述的指纹传感器，还包括：
柔性电路层，在所述衬底上且包括连接器部分，所述柔性电路层在所述衬底的与所述手指感测IC所在的一侧相反的主表面上；以及
由所述柔性电路层承载的开关。
8.如权利要求1所述的指纹传感器，其中，所述边框包括实心金属性的环。
9.如权利要求1所述的指纹传感器，其中，所述边框包括在所述包封材料上的导电层。
10.如权利要求1所述的指纹传感器，还包括多个键合导线、扇出电路互连、倒装芯片互连以及带上芯片互连中的至少一个以用于耦合所述衬底和所述手指感测IC且其被嵌入在所述包封材料中。
11.一种指纹传感器，包括：
衬底；
手指感测集成电路IC，在所述衬底上且包括在其上表面上的用于感测邻近的手指的手指感测区域，所述手指感测区域包括电场感测电极的阵列；
包封材料，在所述手指感测IC上且覆盖所述手指感测区域；
边框，与所述手指感测区域相邻且在所述包封层的最上表面上；以及
至少一个静电放电ESD电路，耦合到所述边框从而所述边框定义ESD电极。
12.如权利要求11所述的指纹传感器，其中，所述包封材料包括覆盖所述手指感测区域的体部分和从所述体部分的周边延伸的凸缘部分，其中所述边框在所述凸缘部分上。
13.如权利要求11所述的指纹传感器，其中，所述边框的外表面被完全暴露，所述手指感测区域被所述包封材料完全覆盖。
14.如权利要求11所述的指纹传感器，还包括耦合到所述边框的至少一个驱动电路从而所述边框还定义驱动电极。
15.如权利要求11所述的指纹传感器，还包括：
柔性电路层，在所述衬底上且包括连接器部分，所述柔性电路层在所述衬底的与所述手指感测IC所在的一侧相反的主表面上；以及
由所述柔性电路层承载的开关。
16.如权利要求11所述的指纹传感器，其中，所述边框包括在所述包封材料上的导电层。
17.一种制造指纹传感器的方法，包括：
将手指感测集成电路IC定位在衬底上，该手指感测IC包括在其上表面上的用于感测相邻的手指的手指感测区域；
形成在所述手指感测IC上且覆盖所述手指感测区域的包封材料；以及
将边框定位成与所述手指感测区域相邻且在所述包封层的最上表面上。
18.如权利要求17所述的方法，其中，形成所述包封材料包括将所述包封材料形成为包括覆盖所述手指感测区域的体部分和从所述体部分的周边延伸的凸缘部分，所述边框位于所述凸缘部分上。
19.如权利要求17所述的方法，其中，定位所述边框包括将所述边框的外表面定位成被完全暴露，其中形成所述包封材料包括将所述包封材料形成得使所述手指感测区域完全被其覆盖。
20.如权利要求17所述的方法，还包括耦合至少一个驱动电路至所述边框从而所述边框定义驱动电极。
21.如权利要求17所述的方法，还包括耦合至少一个静电放电ESD电路至所述边框从而所述边框还定义ESD电极。
22.如权利要求17所述的方法，还包括：
将柔性电路层耦合在所述衬底上，所述柔性电路层包括连接器部分，该柔性电路层在所述衬底的与所述手指感测IC所在的一侧相反的主表面上；以及
将开关定位为由所述柔性电路层承载。
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