CN104241213B - 超薄型全平面式感测装置及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种超薄型全平面式感测装置及其制造方法，所述超薄型全平面式感测装置包括封装基板、中介结构、垂直电连接结构及感测芯片。中介结构位于封装基板上并包括连接垫以及电连接至连接垫及封装基板的第一焊垫的第二焊垫。垂直电连接结构位于中介结构上并包括电连接至连接垫的垂直导体。感测芯片位于垂直电连接结构上并包括芯片基板，以及形成于芯片基板上的感测元、感测电路元以及垂直贯通电极。感测元感测生物体的特征而获得感测信号，其被感测电路元处理而获得生物特征信号。生物特征信号通过垂直贯通电极、垂直导体及第二焊垫传输至第一焊垫。利用本发明,可以使感测装置及装设有此感测装置的电子设备薄型化。

Description

超薄型全平面式感测装置及其制造方法

技术领域

本发明是涉及一种超薄型全平面式感测装置，且特别是涉及一种使用具有垂直贯通电极的感测芯片的超薄型全平面式感测装置及其制造方法。

背景技术

近年来，譬如移动电话、平板电脑或智能手表等移动设备的发展日益精进，移动设备的厚度也越来越薄，连带对于其所使用的集成电路(IC)的封装也要求越来越薄。使用者对于移动设备的外观越来越重视，所以若要在移动设备上装设传感器(譬如是指纹传感器)，必须采取不破坏移动设备的外观的设计。如此一来，传感器就必须具有全平面的设计，且必须具有相当薄的厚度，才能隐藏于譬如移动设备的前后面板或者按键之内。

于一种传统的电容/电场指纹传感器中，感测电路与感测元都是形成于硅基板上，硅基板上也形成有输出/入焊垫，利用打线的方式将硅基板上的焊垫电连接至封装基板上的封装焊垫，然后再进行封胶的程序，以生产出指纹传感器装置。然而，受限于现有的打线技术，连接线必然会具有一个从感测焊垫往上弯曲的弧形段，这个弧形段不利于全平面传感器的制作，而且所述弧度再加上保护封胶至少也要将近100微米的高度，也不利于超薄的设计，而且所述100微米的封胶高度，也会大幅降低感测的电容值，进而影响感测的灵敏度，使得感测装置不适合隐藏式的设置于移动设备的前后面板或者按键之内。

于另一种指纹传感器中，使用球栅阵列(BGA)的锡球来将芯片的硅基板焊接在封装基板上，但是锡球的球径高度一般介于300至400微米(um)之间，加上芯片及封装基板的厚度，整个指纹传感器的厚度势必大于700um甚至1000um，这不利于薄型化产品的需求。

发明内容

本发明解决的技术问题是：提供一种超薄型全平面式感测装置，利用具有垂直贯通电极的感测芯片及相关的连接结构来达成超薄型全平面式感测装置。

本发明的技术解决方案为：提供一种超薄型全平面式感测装置，至少包括一封装基板、一中介结构、一垂直电连接结构以及一感测芯片。封装基板包括多个第一焊垫。中介结构位于封装基板上，并包括多个连接垫以及电连接至此等第一焊垫及此等连接垫的多个第二焊垫。垂直电连接结构位于中介结构上，并包括电连接至此等连接垫的多个垂直导体。感测芯片位于垂直电连接结构上，并包括一芯片基板，以及形成于芯片基板上的多个感测元、多个感测电路元以及多个垂直贯通电极。多个感测元构成一感测元阵列，并感测一生物体的特征而获得多个感测信号。多个感测电路元构成一感测电路元阵列电连接至此等感测元，并处理此等感测信号而获得多个生物特征信号。多个垂直贯通电极直接或间接电连接至此等感测电路元及此等垂直导体，使此等生物特征信号分别通过此等垂直贯通电极、此等垂直导体及此等第二焊垫传输至此等第一焊垫。

本发明还提供一种感测装置的制造方法，至少包括以下步骤：形成多个感测芯片，各感测芯片具有一芯片基板以及形成于芯片基板中的多个感测元、多个感测电路元以及多个垂直贯通电极，此等感测电路元电连接至此等垂直贯通电极及此等感测元；形成一重新分布层于此等垂直贯通电极上，并形成多个垂直导体于重新分布层上；形成一中介晶片，其具有多个连接垫及电连接至此等连接垫的多个第二焊垫；将此等感测芯片置于中介晶片上，并使此等垂直导体与此等连接垫对准；接合此等垂直导体与此等连接垫；形成一绝缘填料层于此等感测芯片与中介晶片之间；执行切割以形成多个传感器；将传感器置放于一封装基板上，封装基板包括多个第一焊垫；以及对传感器进行打线及封胶程序，以将此等第一焊垫电连接至此等第二焊垫而形成感测装置。

通过本发明的上述实施样态，可以有效减少感测装置的厚度，如此可以使感测装置及装设有此感测装置的电子设备薄型化。

附图说明

图1显示依据本发明第一实施例的感测装置的局部示意图。

图2A至2M显示图1的感测装置的较佳实施例的制造方法的一些步骤的局部示意图。

图3A至3M显示图1的感测装置的制造方法的另一些步骤的局部示意图。

图4A与4B显示依据本发明另一实施例的感测装置的制造方法的部分步骤的示意图。

图5显示依据本发明的又另一实施例的感测装置的示意图。

图6A显示装设有感测装置的电子设备的俯视图。

图6B与6C显示感测装置的装设位置的两个例子。

符号说明：

CT：切割线 43C：金属层间介电层

F：手指 43D：绝缘层

S1：感测信号 44：芯片基板

S2：生物特征信号 45：重新分布层

1、1'：感测装置 45A：导体

10：封装基板 45B：导体

15：第一焊垫 45C：光刻胶层

20：中介结构 45D：导体

20W：中介晶片 45W：窗孔

21：连接垫 46A：层间介电层

22：导体层 46B：贯通孔

23：导体层 47A：第一绝缘层

25：第二焊垫 47B：第一铜种子层

25'：输出垫 47C：第一铜层

30：垂直电连接结构 47D：第二铜层

32：绝缘填料层 47E：锡料

34：垂直导体 47G：锡层

34A：导体柱 47H：保护层

34B：微凸块 47I：载体

35：哑导电结构 47J：第二绝缘层

35A：导体柱 47K：第二铜种子层

35B：微凸块 47L：第三绝缘层

40：感测芯片 47W：窗口

40U：传感器 50：连接线

41：感测元 60：封胶层

42：感测电路元 70：感测芯片复合结构

43：垂直贯通电极 200：电子设备

43A：导体 210：面板

43B：导体 212：凹槽

具体实施方式

图1显示依据本发明第一实施例的感测装置1的局部示意图。如图1所示，本实施例的超薄型全平面式感测装置1至少包括一封装基板10、一中介结构20、一垂直电连接结构30以及一感测芯片40。于一例示但非限制例子中，感测装置1的厚度(沿着图面之垂直方向)小于或等于500微米。

封装基板10包括多个第一焊垫15。于一例子中，封装基板10最佳实施例为一软性电路板，但也可以为印刷电路板，具有一层或多层金属层。

中介结构20位于封装基板10上，并包括多个连接垫21以及电连接至此等第一焊垫15及此等连接垫21的多个第二焊垫25。于此例子中，一部分的连接垫21是通过其下方的导体层22而电连接至第二焊垫25，而另一部分的连接垫21电连接至其下方的导体层23。导体层22与23可以是由同一道金属制造工艺所形成。

在本实施例中，中介结构为硅中介结构，当然也可以是玻璃、陶瓷材料或者其他材料所形成的中介结构，而利用硅中介结构最大优点在于其可以完全利用半导体制造工艺的先进发展，用于完成本发明所需要的精细微凸块制造工艺，也是本发明的重要特征，以下将会有更详细说明。

垂直电连接结构30位于中介结构20上，并包括一绝缘填料层32及埋设于绝缘填料层32且电连接至此等连接垫21的多个垂直导体34。于本实施例中，垂直导体34主要是由导体柱34A与微凸块34B所构成。于一例示但非限制例子中，垂直导体34是由铜、镍、银、金、钯与锡的单一或两种以上所形成。

感测芯片40位于垂直电连接结构30上，并包括一芯片基板44以及形成于芯片基板44上的多个感测元41、多个感测电路元42以及多个垂直贯通电极43。芯片基板44与绝缘填料层32之间形成有一第二绝缘层47J。

多个感测元41构成一感测元阵列，并感测一生物体的特征而获得多个感测信号S1。此实施例中，是以此等感测元41感测一手指F的指纹而产生多个感测信号作为例子来说明。但是，应理解到，除了感测手指F的指纹以外，本发明的感测装置亦可以感测与生物体接触的电信号，例如当作触控开关使用或感测皮肤的干湿度、温度、皮肤底下的血液成分、皮肤底下的血管分布图案等。也就是说，本发明的感测元41可以感测生物体的生物特征。此生物特征最好是个人所独特拥有的(相较之下，单手指或多手指触控并非是个人所独特拥有的)，但并不受限于此。最佳实施例中，所述感测元感测电容/电场的变化，但是并不以此为限。

多个感测电路元42构成一感测电路元阵列，电连接至此等感测元41，并处理此等感测信号S1而获得多个生物特征信号S2。当然除了此等感测电路元之外，熟悉所述领域者当知道，一感测芯片可以包括更多的模拟及数字电路以及其与外部电连接的电源及信号传输接口。

多个垂直贯通电极43直接或间接电连接至此等感测电路元42及此等垂直导体34，以使此等生物特征信号S2分别通过此等垂直贯通电极43、此等垂直导体34及此等第二焊垫25传输至此等第一焊垫15。因此，此等垂直贯通电极43、此等垂直导体34及此等第二焊垫25可以被称为是一种电源及信号传输接口。于此例子中，垂直贯通电极43是通过导体43A与导体43B而直接或间接电连接至感测电路元42，且可以利用直通硅晶穿孔(Through-SiliconVia，TSV)的技术来实施。层间介电层46A位于芯片基板44上，第一绝缘层47A位于垂直贯通电极43的周围及层间介电层46A上，绝缘层43D形成于第一绝缘层47A上并位于导体43A的周围。导体43B形成于导体43A上，金属层间介电层43C形成于绝缘层43D与导体43B上。感测元41形成于金属层间介电层43C上，而保护层47H覆盖于感测元41与金属层间介电层43C上。

此外，上述的感测装置1可以还包括多条连接线50以及一封胶层60。多条连接线50分别将此等第一焊垫15电连接至此等第二焊垫25。封胶层60覆盖此等第一焊垫15、此等第二焊垫25及此等连接线50。由于本发明提供一全平面接触面的设计，因此所述连接线及所述封胶层的最外围高度小于所述保护层47H的高度。

此外，感测芯片40可以还包括一重新分布层45，此等垂直贯通电极43是通过重新分布层45的导体45A及导体45D而电连接至此等垂直导体34。于此情况下，垂直电连接结构30还包括多个哑(dummy)导电结构35。哑导电结构35具有与垂直导体34类似的结构，同样是由导体柱35A与微凸块35B所构成。哑导电结构35电连接至重新分布层45的导体45B。哑导电结构35没有传输任何信号，但能稳固感测芯片40与中介结构20之间的连接关系。

图2A至2M显示图1的感测装置的较佳实施例的制造方法的一些步骤的局部示意图。本实施例的感测装置的制造方法至少包括以下步骤。当然，较佳实施例的制造方法只是为说明本发明装置可以据以实施，而非加以限定。

首先，如图2A至2K所示，形成多个感测芯片40，各感测芯片40具有一芯片基板44以及形成于芯片基板44中的多个感测元41、多个感测电路元42以及多个垂直贯通电极43，此等感测电路元42电连接至此等垂直贯通电极43及此等感测元41。

有关形成多个感测芯片40的一个例子的细节说明如下。

首先，如图2A所示，于芯片基板44上形成感测电路元42。然后，如图2B所示，于芯片基板44及此等感测电路元42上形成一层间介电层46A。接着，如图2C所示，形成多个贯通孔46B贯通层间介电层46A并延伸至芯片基板44达一预定深度。然后，如图2D所示，形成一第一绝缘层47A于层间介电层46A及各贯通孔46B的内壁。接着，如图2E所示，形成一第一铜种子层47B于第一绝缘层47A上。然后，如图2F所示，利用第一铜种子层47B电镀形成一第一铜层47C。

接着，如图2G所示，研磨移除部分的第一铜层47C直到第一绝缘层47A露出为止而形成此等垂直贯通电极43。然后，如图2H所示，于此等垂直贯通电极43与第一绝缘层47A上形成此等感测元41，并使此等感测元41电连接至此等垂直贯通电极43，此等感测元41由保护层47H覆盖。举例而言，可以先于垂直贯通电极43上形成绝缘层43D，开槽以供导体43A的形成，然后于导体43A与绝缘层43D上形成金属层，再对此金属层图案化以形成导体43B。接着，于金属层间介电层43C上形成图案化的感测元41，再覆盖保护层47H。感测元41于本实施例中是感测电极元，其通常以制造工艺中的最顶层金属制作而成。

然后，如图2I所示，粘贴一载体47I于保护层47H上。接着，如图2J所示，研磨芯片基板44直到露出此等垂直贯通电极43为止。然后，如图2K所示，移除载体47I并于芯片基板44与此等垂直贯通电极43上形成第二绝缘层47J。

接着，如图2L至2M以及3A至3G所示，形成一重新分布层45于此等垂直贯通电极43上，并形成多个垂直导体34于重新分布层45上。首先，如图2L所示，于第二绝缘层47J上定义出图案而开出窗孔45W使此等垂直贯通电极43露出。然后，如图2M所示，于窗孔45W中形成导体45D，接着于第二绝缘层47J上形成重新分布层45，其电连接至此等垂直贯通电极43。重新分布层45包括导体45A与导体45B，因此于导体45D及第二绝缘层47J上形成导体45A，同时于第二绝缘层47J上形成导体45B。

然后，如图3A所示，于重新分布层45及第二绝缘层47J上形成一第二铜种子层47K。接着，如图3B与3C所示，利用第二铜种子层47K进行电镀来形成一第二铜层47D。于此例子中，是于第二铜种子层47K上形成一光刻胶层45C，对光刻胶层45C图案化以形成窗孔45W，如此才能定义出电镀材料的成长范围，以形成第二铜层47D，第二铜层47D并未填满整个窗孔45W。

然后，如图3D至3G所示，于第二铜层47D上形成一锡层47G并移除部分的第二铜层47D。于此例子中，于窗孔45W中的第二铜层47D上填入锡料47E，如图3D所示。然后移除光刻胶层45C，如图3E所示。再对锡料47E进行回焊(reflow)，以形成锡层47G，如图3F所示，最后再将多余的第二铜种子层47K移除，以形成导体柱34A与锡层47G，如图3G所示。锡层47G当作焊帽(solder cap)，也是一种微凸块(microbump或ubump)，用来与连接垫21对准并接合，如下所述。值得注意的是，图3G的结构可以称为一个感测芯片复合结构70，类似于图1的感测芯片40与垂直电连接结构30的结构。微凸块可以是焊锡凸块、铜凸块或其他金属凸块，譬如金、银、镍、钨、铝及其合金所组成的凸块。当作下连接部的凸块与当作上连接部的凸块的接合可以是焊锡接合或直接金属-金属(譬如铜-铜)扩散接合。

然后就是要形成一中介晶片20W，其为一种哑晶片(dummy wafer)，并具有多个连接垫21及电连接至此等连接垫21的多个第二焊垫25，如图3H所示。于本实施例中，是要准备多个感测芯片复合结构70，以阵列的型式排列于中介晶片20W上进行接合及封装后，施以切割过程以形成多个感测装置1，通过将芯片堆叠于晶片上(Chip On Wafer，COW)的技术来进行大量生产。同时这种通过硅中介晶片的生产方式，并不限于8英寸及12英寸晶片。

接着，将多个感测芯片复合结构70置于中介晶片20W上，也就是将此等感测芯片40置于中介晶片20W上，并使此等垂直导体34的导体柱34A及锡层47G与此等连接垫21对准，并接合此等垂直导体34与此等连接垫21，如图3I所示。

然后，如图3J所示，形成一绝缘填料层32于此等感测芯片40与中介晶片20W之间，并使绝缘填料层32硬化。绝缘填料层32亦可被称为是底胶(underfill)。

接着，如图3K所示，沿着切割线CT执行切割以形成多个传感器40U，如图3L所示。

然后，如图3M所示，将传感器40U置放于一封装基板10上，封装基板10包括多个第一焊垫15，接着，对传感器40U进行打线及封胶程序，以将此等第一焊垫15电连接至此等第二焊垫25而形成感测装置1。于打线及封胶程序中，首先提供多条连接线50以分别将此等第一焊垫15电连接至此等第二焊垫25，然后提供封胶层60覆盖此等第一焊垫15、此等第二焊垫25及此等连接线50。

图4A与4B显示依据本发明另一实施例的感测装置的制造方法的部分步骤的示意图。值得注意的是，图4A与4B是用来置换图2M的结构及制造方法，且图4B可以延续图3A以后的制造工艺。

因此，于本实施例中，如图4A所示，于重新分布层45及第二绝缘层47J上形成一第三绝缘层47L。然后，如图4B所示，于第三绝缘层47L开出多个窗口47W而使重新分布层45露出。接着，对应地参考图3I，于重新分布层45及第三绝缘层47L上形成一第二铜种子层47K，利用第二铜种子层47K进行电镀来形成一第二铜层47D，于第二铜层47D上形成一锡层47G并移除部分的第二铜层47D，使锡层47G当作焊帽，用来与此等连接垫21对准并接合。

图5显示依据本发明的又另一实施例的感测装置1'的示意图。如图5所示，本实施例是类似于图1，不同之处在于图1的中介结构20是利用半导体基板形成，而本实施例的中介结构20'是利用聚酰亚胺(Polyimide)所形成的软性电路板，其中具有至少一金属层来达成信号连接的目的，用于将信号输出至输出垫25'。如此，不需要打线封胶，且可以使得感测装置1'的厚度更加薄型化。

图6A显示装设有感测装置的电子设备200的俯视图。图6B与6C显示感测装置的装设位置的两个例子。如图6A所示，上述实施例的感测装置1可以装设在譬如移动电话的面板下方。因为使用者很重视移动电话的外观，所以将感测装置隐藏在面板210下方是本发明设计的重点。因此，感测装置一定要有全平面的设计，通过本发明的感测装置，可以实施为面积型或滑动式指纹感测，将其安置在面板210的下表面(图6B)或面板210的凹槽212中(图6C)，使面板210同时具有触控、显示及指纹感测的功能。

传统的传感器使用的球闸阵列(BGA)的球径高度大约在300至400微米，本发明实施例的微凸块的高度约10微米(um)，中介晶片的高度约50～100um，因此，可以减少大约200至300微米的高度，使感测装置的厚度可以小于或等于500um，如此可以使感测装置及装设有此感测装置的电子设备薄型化。

在较佳实施例的详细说明中所提出的具体实施例仅方便说明本发明的技术内容，而非将本发明狭义地限制于上述实施例，在不超出本发明的精神及权利要求的情况，所做的种种变化实施，皆属于本发明的范围。

Claims (9)

1.一种超薄型全平面式感测装置，其特征在于，所述超薄型全平面式感测装置至少包括：

一封装基板，包括多个第一焊垫；

一中介结构，位于所述封装基板上，包括多个连接垫以及电连接至所述的多个第一焊垫及所述的多个连接垫的多个第二焊垫；

一垂直电连接结构，位于中介结构上，包括电连接至所述的多个连接垫的多个垂直导体；

多条连接线，分别将该等第一焊垫电连接至该等第二焊垫；

一封胶层，覆盖该等第一焊垫、该等第二焊垫及该等连接线，其中该垂直电连接结构更包含一绝缘填料层，该等垂直导体系埋设于该绝缘填料层；以及

一感测芯片，位于所述垂直电连接结构上，包括一芯片基板，以及形成于所述芯片基板上的：

多个感测元，构成一感测元阵列，并感测一生物体的特征而获得多个感测信号；

多个感测电路元，构成一感测电路元阵列，电连接至所述的多个感测元，并处理所述的多个感测信号而获得多个生物特征信号；以及

多个垂直贯通电极，直接或间接电连接至所述的多个感测电路元及所述的多个垂直导体，以使所述的多个生物特征信号分别通过所述的多个垂直贯通电极、所述的多个垂直导体及所述的多个第二焊垫传输至所述的多个第一焊垫。

2.根据权利要求1所述的感测装置，其特征在于，所述感测装置的厚度小于或等于500微米。

3.根据权利要求1所述的感测装置，其特征在于，所述垂直导体是由铜、镍、银与锡所形成。

4.根据权利要求1所述的感测装置，其特征在于，所述感测芯片还包括一重新分布层，所述的多个垂直贯通电极是通过所述重新分布层电连接至所述的多个垂直导体；且

所述垂直电连接结构还包括多个哑导电结构，其电连接至所述重新分布层，所述哑导电结构没有传输任何信号。

5.一种感测装置的制造方法，其特征在于，所述感测装置的制造方法至少包括以下步骤：

(a)形成多个感测芯片，各所述感测芯片具有一芯片基板以及形成于所述芯片基板中的多个感测元、多个感测电路元以及多个垂直贯通电极，所述的多个感测电路元电连接至所述的多个垂直贯通电极及所述的多个感测元；

(b)形成一重新分布层于所述的多个垂直贯通电极上，并形成多个垂直导体于所述重新分布层上；

(c)形成一中介晶片，其具有多个连接垫及电连接至所述的多个连接垫的多个第二焊垫；

(d)将所述的多个感测芯片置于所述中介晶片上，并使所述的多个垂直导体与所述的多个连接垫对准；

(e)接合所述的多个垂直导体与所述的多个连接垫；

(f)形成一绝缘填料层于所述的多个感测芯片与所述中介晶片之间；

(g)执行切割,以形成多个传感器；

(h)将所述传感器置放于一封装基板上，所述封装基板包括多个第一焊垫；以及

(i)对所述传感器进行打线及封胶程序，以将所述的多个第一焊垫电连接至所述的多个第二焊垫而形成所述感测装置。

6.根据权利要求5所述的制造方法，其特征在于，所述步骤(a)包括：

(a1)于所述芯片基板上形成所述的多个感测电路元；

(a2)于所述芯片基板及所述的多个感测电路元上形成一层间介电层；

(a3)形成多个贯通孔贯通所述层间介电层并延伸至所述芯片基板达一预定深度；

(a4)形成一第一绝缘层于所述层间介电层及各所述贯通孔的内壁；

(a5)形成一第一铜种子层于所述第一绝缘层上；

(a6)利用所述第一铜种子层进行电镀来形成一第一铜层；

(a7)研磨移除部分的所述第一铜层直到所述第一绝缘层露出为止而形成所述的多个垂直贯通电极；

(a8)于所述的多个垂直贯通电极与所述第一绝缘层上形成所述的多个感测元，并使所述的多个感测元电连接至所述的多个垂直贯通电极，所述的多个感测元由一保护层覆盖；

(a9)粘贴一载体于所述保护层上，研磨所述芯片基板直到露出所述的多个垂直贯通电极为止；以及

(a10)移除所述载体并于所述芯片基板上与所述的多个垂直贯通电极形成一第二绝缘层，并使所述的多个垂直贯通电极露出；

所述步骤(b)中，是于所述第二绝缘层上形成所述重新分布层，其电连接至所述的多个垂直贯通电极。

7.根据权利要求6所述的制造方法，其特征在于，所述步骤(b)包括：

(b1)于所述重新分布层及所述第二绝缘层上形成一第二铜种子层；

(b2)利用所述第二铜种子层进行电镀来形成一第二铜层；以及

(b3)于所述第二铜层上形成一锡层并移除部分的第二铜层，使所述锡层当作焊帽，用来与所述的多个连接垫对准并接合。

8.根据权利要求6所述的制造方法，其特征在于，所述步骤(b)包括：

(b1)于所述重新分布层及所述第二绝缘层上形成一第三绝缘层；

(b2)于所述第三绝缘层开出多个窗口而使所述重新分布层露出；

(b3)于所述重新分布层及所述第三绝缘层上形成一第二铜种子层；

(b4)利用所述第二铜种子层进行电镀来形成一第二铜层；以及

(b5)于所述第二铜层上形成一锡层并移除部分的第二铜层，使所述锡层当作焊帽，用来与所述的多个连接垫对准并接合。

9.根据权利要求5所述的制造方法，其特征在于，所述步骤(i)包括：

提供多条连接线以分别将所述的多个第一焊垫电连接至所述的多个第二焊垫；以及

提供一封胶层覆盖所述的多个第一焊垫、所述的多个第二焊垫及所述的多个连接线。