CN104615982B - 一种指纹识别传感器的封装结构及其封装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种指纹识别传感器的封装结构及其封装方法，属于半导体封装技术领域。其包括：硅基本体的顶部的边缘位置设置沟槽；传感器芯片设置于硅基本体的顶部，其包括感应元件和设置于感应元件四周的芯片电极，绝缘层Ⅰ覆盖硅基本体的表面和沟槽的裸露面，绝缘层Ⅱ覆盖绝缘层Ⅰ，且从上至下仅覆盖至上拐角Ⅰ区域；再布线金属层将电极信号降至沟槽的底部；金属引线连接再布线金属层与基板，介电层填充绝缘层开口Ⅰ，塑封层塑封基板上的硅基本体的所有裸露的面空间，且于塑封层的表面设置金属膜层。本发明的封装结构能提高产品绝缘性能、提升产品可靠性，本发明的封装方法采用晶圆级工艺，封装流程简单，提高了生产效率，符合封装产业发展的趋势。
Description
技术领域
本发明涉及一种指纹识别传感器的封装结构及其封装方法，属于半导体封装技术领域。
背景技术
随着时代的发展，在现有半导体封装构造制造过程中，Trench（沟槽）技术已广泛地被应用，如图1所示，在传统的指纹识别传感器的封装结构中，传感器芯片与外部的电气连接是用金属引线以键合的方式把芯片上的I/O连至封装载体并经封装引脚来实现，这种结构的绝缘层通常只有一层有机材料（如图1中51）或者两层有机材料（如图1中51和52）。当只有一层有机材料做绝缘层时，在图1中的Trench沟槽的上拐角Ⅰ区域会有电气连接问题，如短路、开路、漏电流等，影响产品的可靠性；而当采用两层有机材料做绝缘层时，会造成在图1中Trench沟槽的下拐角Ⅱ区域的胶厚较厚，给后续流程（如曝光显影）造成困扰。
发明内容
为解决现有技术中的上述绝缘问题，本发明提供一种能提高产品绝缘性能、提升产品可靠性的一种指纹识别传感器的封装结构及其封装方法。
为了实现上述目的，本发明采用以下方式来实现：
本发明一种指纹识别传感器的封装结构，其包括：
硅基本体，其顶部的边缘位置设置沟槽，其底部与基板固连；
传感器芯片，设置于所述硅基本体的顶部，其包括感应元件和设置于感应元件四周的芯片电极及其电路，
其中，芯片电极至少两个，且其上表面露出硅基本体的上表面，所述沟槽的底部在垂直方向上的位置低于所述芯片电极的电路的底部；
感应元件的上表面露出硅基本体的上表面；
绝缘层Ⅰ，覆盖所述硅基本体的表面和沟槽的裸露面，并于感应元件的上方开设绝缘层开口Ⅰ露出感应元件的上表面、于芯片电极的上方开设绝缘层开口Ⅱ露出芯片电极的上表面；
绝缘层Ⅱ，覆盖所述绝缘层Ⅰ，且从上至下仅覆盖至上拐角Ⅰ区域；
再布线金属层，由若干个彼此绝缘的子再布线金属层构成，各所述子再布线金属层的一端通过绝缘层开口Ⅱ与所述芯片电极对应连接，其另一端沿绝缘层Ⅱ向外延伸至沟槽的上拐角Ⅰ区域，再沿绝缘层Ⅰ至沟槽的下拐角Ⅱ区域和沟槽的底部；
金属引线，其一端与延伸至沟槽的底部的再布线金属层的部分连接，其另一端与基板连接；
介电层，填充绝缘层开口Ⅰ；
塑封层，塑封基板上的硅基本体的所有裸露的面空间，且于所述塑封层的表面设置金属膜层。
在所述沟槽的内壁，从上而下，所述绝缘层Ⅱ覆盖绝缘层Ⅰ的表面的1/2～2/3面积。
所述金属引线的弧高低于硅基本体的上表面。
所述硅基本体与基板之间设置黏胶层。
本发明一种指纹识别传感器的封装结构的封装方法，其包括以下工艺步骤：
步骤一、取上表面置有传感器芯片的圆片，所述传感器芯片包括感应元件和芯片电极；
步骤二、沿划片道在圆片的上表面开出宽于划片道的沟槽；
步骤三、在圆片的上表面及沟槽的内壁和底部涂覆绝缘层Ⅰ，利用光刻工艺于感应元件的上方开设绝缘层开口Ⅰ露出感应元件的上表面、于芯片电极的上方开设绝缘层开口Ⅱ露出芯片电极的上表面；
步骤四、在绝缘层Ⅰ的表面涂覆负性的绝缘层Ⅱ，通过光刻工艺，将沟槽的底部和沟槽的下拐角Ⅱ区域的无效的绝缘层Ⅱ去除；
步骤五、依次通过溅射金属、光刻、电镀的方法选择性地实现彼此绝缘的再布线金属层，再布线金属层的一端通过绝缘层开口Ⅱ与所述芯片电极对应连接，其另一端沿绝缘层Ⅱ向外延伸至沟槽的上拐角Ⅰ区域，再沿绝缘层Ⅰ至沟槽的下拐角Ⅱ区域和沟槽的底部；
步骤六、在绝缘层开口Ⅰ内填充介电层；
步骤七、沿划片道切割圆片，形成复数颗封装单体；
步骤八、将上述封装单体通过黏胶层固定于基板；
步骤九、利用打线工艺将金属引线的一端与延伸至沟槽的底部的再布线金属层连接，其另一端与基板连接；
步骤十、采用塑封工艺将基板上方的所有裸露的面空间塑封封装，形成塑封层；
步骤十一、在塑封层的表面电镀金属膜层；
步骤十二、沿切割线将完成封装的上述封装体切割成指纹识别传感器的封装结构单体。
所述再布线金属层的材质为金属铝、钛/铝、铝/镍/金或铝/镍/钯/金。
所述绝缘层Ⅰ的材质为无机绝缘材料。
所述绝缘层Ⅱ的材质为有机绝缘材料。
相比与现有方案，本发明的有益效果是：
1、本发明巧妙地运用有机材料与无机材料的不同特性，构建两层绝缘层：无机材料的绝缘层Ⅰ覆盖硅基本体的表面和沟槽的裸露面，有机材料的绝缘层Ⅱ覆盖上述绝缘层Ⅰ，且从上至下仅覆盖至沟槽的上拐角Ⅰ区域，以提高产品的电绝缘性能、提升产品可靠性，同时，不增加沟槽的下拐角Ⅱ区域的绝缘层厚度，以使不对后续流程（如曝光显影）造成影响；
2、本发明封装体的封装流程简单，整个封装过程采用圆片级工艺，在圆片上完成，提高了生产效率，符合封装产业发展的趋势。
附图说明
图1是现有传感器封装结构示意图；
图2是本发明一种指纹识别传感器的封装结构的封装方法的流程图；
图3是本发明一种指纹识别传感器的封装结构的实施例的剖面示意图；
图4~16是图3的封装方法的流程示意图；
图1中：硅基本体1
沟槽11
沟槽壁111
感应元件12
芯片电极131、132
介电层4
绝缘层Ⅰ51
绝缘层开口Ⅰ501
绝缘层开口Ⅱ502
绝缘层Ⅱ52
再布线金属层61、62
金属引线7
塑封层8
金属膜层81
基板9
黏胶层91；
圆片10
划片道101
切割线901。
具体实施方式
参见图2，一种指纹识别传感器的封装结构的封装方法，其工艺流程如下：
S1：取置有传感器芯片（其包括感应元件和芯片电极）的圆片；
S2：沿划片道在圆片上开出宽于划片道的沟槽；
S3：在圆片的表面及沟槽内涂覆绝缘层Ⅰ，并开设露出感应元件的绝缘层开口Ⅰ、露出芯片电极的绝缘层开口Ⅱ；
S4：除沟槽的底部和沟槽的下拐角Ⅱ区域外，在绝缘层Ⅰ的表面涂覆绝缘层Ⅱ；
S5：选择性地实现再布线金属层，再布线金属层的一端通过绝缘层开口Ⅱ与芯片电极对应连接，其另一端沿绝缘层Ⅱ向外延伸至沟槽的上拐角Ⅰ区域，再沿绝缘层Ⅰ至沟槽的下拐角Ⅱ区域和沟槽的底部；
S6：在绝缘层开口Ⅰ内填充介电层；
S7：沿划片道切割圆片，形成复数颗封装单体；
S8：删选合适的封装单体固定于基板；
S9：利用打线工艺将金属引线的一端与延伸至沟槽的底部的再布线金属层连接，其另一端与基板连接；
S10：采用塑封工艺将基板上方的裸露的面空间塑封封装，形成塑封层；
S11：在塑封层的表面形成金属膜层；
S12：沿切割线将完成封装的上述封装体切割成复数颗指纹识别传感器的封装结构单体。
现在将在下文中参照附图更加充分地描述本发明，在附图中示出了本发明的示例性实施例，从而本公开将本发明的范围充分地传达给本领域的技术人员。然而，本发明可以以许多不同的形式实现，并且不应被解释为限制于这里阐述的实施例。
实施例，参见图3
本发明一种指纹识别传感器的封装结构，其硅基本体1的横截面呈矩形，传感器芯片设置于硅基本体1的顶部，其包括感应元件12和设置于感应元件12四周的芯片电极。芯片电极及其相关的电路设置于其硅基本体1的内部，而表现于顶部，图中，以两个电极131、132示例，电极131、132的上表面露出硅基本体1。感应元件12嵌于两个电极131、132之间的硅基本体1的上部，其上表面露出硅基本体1，用于测量用户的指纹之间的电容，可以由此得到客户的手指的图像信息。芯片电极的个数可以在两个以上，感应元件12设置在其中间。
硅基本体1的顶部的边缘位置设置沟槽11，该沟槽11可以使用划片或者刻蚀的方法来成形。沟槽壁111的倾斜角度为α，α的取值范围为90°～150°，以倾斜角度α为120°～130°为佳。沟槽11的底部在垂直方向上的位置低于电极131、132的电路的底部。硅基本体1的底部通过黏胶层91黏贴至基板9上，该基板9包括但不限于PCB板。
在硅基本体1和感应元件12的表面以及沟槽11的裸露面以PECVD的方式沉积SiO2、SiN等材质的绝缘层Ⅰ51，并于感应元件12的上方开设绝缘层开口Ⅰ501露出感应元件12的上表面、于电极131、132的上方开设绝缘层开口Ⅱ502露出电极131、132的上表面。
在绝缘层Ⅰ51的表面覆盖绝缘层Ⅱ52，绝缘层Ⅱ52从上至下仅覆盖至沟槽的上拐角Ⅰ区域，具体地，在沟槽11的沟槽壁111处，从上往下，绝缘层Ⅱ52覆盖绝缘层Ⅰ51的表面的1/2～2/3面积。绝缘层Ⅰ51和绝缘层Ⅱ52的于沟槽的上拐角Ⅰ区域和沟槽的下拐角Ⅱ区域的区别设计，能有效地提高产品的电绝缘性能、提升产品的可靠性。
在绝缘层Ⅱ52的表面和绝缘层Ⅰ51的裸露面选择性地构建再布线金属层，再布线金属层可以是单层金属，也可以是多层金属，其材质包括但不限于金属铝、钛/铝、铝/镍/金或铝/镍/钯/金。再布线金属层由若干个彼此绝缘的子金属层构成，一般地，子金属层的个数与芯片电极的个数匹配。图中，电极131与子再布线金属层61匹配、电极132与子再布线金属层62匹配。该子再布线金属层61、62的一端通过绝缘层开口Ⅱ502分别与电极131、132连接，其另一端沿绝缘层Ⅱ52向外延伸至沟槽11的上拐角Ⅰ区域，再沿绝缘层Ⅰ51至沟槽的下拐角Ⅱ区域和沟槽11的底部，从而将电极131、132 的信息从硅基本体1表面导到平面以下的沟槽11内。在沟槽11内，金属引线7将再布线金属层6与基板9连接起来，实现电极131、132与基板9的电信连通。其中，金属引线7的弧高以低于硅基本体1的表面为佳。
在绝缘层开口Ⅰ501内填充介电层4，介电层4于感应元件12上方的厚度H4范围为1～20微米，以厚度H4范围为2～5微米为佳。
基板9上的硅基本体1的所有裸露的面空间，使用介电常数不低于介电层4的塑封材料封装起来，形成塑封层8。于感应元件12上方的塑封层8的厚度H5范围为100～250微米，以150～200微米为佳，厚度H5越薄，指纹识别传感器的封装结构的灵敏性就越强，也越方便指纹识别传感器嵌入电子设备中。塑封层8的上表面设置金属膜层81，其厚度为1～5微米，越薄越好，同样可以提高指纹感应的灵敏性。
本发明一种指纹识别传感器的封装结构的封装方法，其包括以下工艺过程：
步骤一、取上表面置有传感器芯片的圆片10，其芯片电极及其相关的电路设置于其硅基本体1的内部，而表现于顶部，感应元件12设置在若干个芯片电极的中间；如图4所示。
步骤二、采用Saw Trench的方式，沿划片道101刻蚀沟槽11，沟槽11要足够深，以使沟槽11的底部在垂直方向上的位置低于芯片电极的电路的底部，同时沟槽11的宽度大于划片道101的宽度，且形成倾斜的沟槽壁111；如图5所示。
步骤三、采用PECVD（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition等离子体增强化学气相沉积）的方法，在圆片10的上表面及沟槽11的内壁和底部涂覆正性的无机绝缘材料的绝缘层Ⅰ51，利用光刻工艺于感应元件12的上方开设绝缘层开口Ⅰ501露出感应元件12的上表面、于芯片电极的上方开设绝缘层开口Ⅱ502露出芯片电极的上表面，形成的结构如图6所示。
步骤四、在绝缘层Ⅰ51的表面采用喷涂的方法涂覆负性的有机绝缘材料的绝缘层Ⅱ52，如图7所示，再通过光刻工艺，将沟槽的下拐角Ⅱ区域和沟槽11的底部的无效的绝缘层Ⅱ52去除；如图8所示。
步骤五、依次通过溅射金属、光刻、电镀的方法选择性地实现彼此绝缘的再布线金属层，再布线金属层的一端通过绝缘层开口Ⅱ502与所述芯片电极对应连接，其另一端沿绝缘层Ⅱ52向外延伸至上拐角Ⅰ区域，再沿绝缘层Ⅰ51至沟槽的下拐角Ⅱ区域和沟槽11的底部；如图9所示。
步骤六、在绝缘层开口Ⅰ501内填充介电层4；如图10所示。
步骤七、沿划片道101切割圆片10，裂片形成复数颗封装单体；如图11所示。
步骤八、删选合格的封装单体，通过黏胶层91将若干个封装单体固定于基板9；如图12所示。
步骤九、利用打线工艺将金属引线7的一端与延伸至沟槽11的底部的再布线金属层的部分连接，其另一端与基板9连接；如图13所示。
步骤十、采用塑封工艺将基板9上方的所有裸露的面空间进行塑封，形成塑封层8；如图14所示。
步骤十一、在塑封层8的表面电镀金属膜层81；如图15所示。
步骤十二、沿切割线901将上述完成封装工艺的封装体切割，成形成单颗的指纹识别传感器的封装结构的单体；如图16所示。
本发明一种指纹识别传感器的封装结构及其封装方法不限于上述优选实施例，其对沟槽做电绝缘的结构及其封装方法也可用于类似需要对沟槽做电绝缘的封装；而其中传感器芯片也可以是其它功能的IC芯片。因此，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围内。
Claims (8)
1.一种指纹识别传感器的封装结构，其特征在于，其包括：
硅基本体（1），其顶部的边缘位置设置沟槽（11），其底部与基板（9）固连；
传感器芯片，设置于所述硅基本体（1）的顶部，其包括感应元件（12）和设置于感应元件（12）四周的芯片电极及其电路，
其中，芯片电极至少两个，且其上表面露出硅基本体（1）的上表面，所述沟槽（11）的底部在垂直方向上的位置低于所述芯片电极的电路的底部；
感应元件（12）的上表面露出硅基本体（1）的上表面；
绝缘层Ⅰ（51），覆盖所述硅基本体（1）的表面和沟槽（11）的裸露面，并于感应元件（12）的上方开设绝缘层开口Ⅰ（501）露出感应元件（12）的上表面、于芯片电极的上方开设绝缘层开口Ⅱ（502）露出芯片电极的上表面；
绝缘层Ⅱ（52），覆盖所述绝缘层Ⅰ（51），且从上至下仅覆盖至沟槽的上拐角Ⅰ区域；
再布线金属层，由若干个彼此绝缘的子再布线金属层构成，各所述子再布线金属层的一端通过绝缘层开口Ⅱ（502）与所述芯片电极对应连接，其另一端沿绝缘层Ⅱ（52）向外延伸至沟槽的上拐角Ⅰ区域，再沿绝缘层Ⅰ（51）至沟槽的下拐角Ⅱ区域和沟槽（11）的底部；
金属引线（7），其一端与延伸至沟槽（11）的底部的子再布线金属层的部分连接，其另一端与基板（9）连接；
介电层（4），填充绝缘层开口Ⅰ（501）；
塑封层（8），塑封基板（9）上的硅基本体（1）的所有裸露的面空间，且于所述塑封层（8）的表面设置金属膜层（81）。
2.根据权利要求1所述的指纹识别传感器的封装结构，其特征在于：在所述沟槽（11）的内壁，从上而下，所述绝缘层Ⅱ（52）覆盖绝缘层Ⅰ（51）的表面的1/2～2/3面积。
3.根据权利要求1所述的指纹识别传感器的封装结构，其特征在于：所述金属引线（7）的弧高低于硅基本体（1）的上表面。
4.根据权利要求1所述的指纹识别传感器的封装结构，其特征在于：所述硅基本体（1）与基板（9）之间设置黏胶层（91）。
5.一种指纹识别传感器的封装结构的封装方法，其包括以下工艺步骤：
步骤一、取上表面置有传感器芯片的圆片（10），所述传感器芯片包括感应元件（12）和芯片电极；
步骤二、沿划片道（101）在圆片（10）的上表面开出宽于划片道（101）的沟槽（11）；
步骤三、在圆片（10）的上表面及沟槽（11）的内壁和底部涂覆绝缘层Ⅰ（51），利用光刻工艺于感应元件（12）的上方开设绝缘层开口Ⅰ（501）露出感应元件（12）的上表面、于芯片电极的上方开设绝缘层开口Ⅱ（502）露出芯片电极的上表面；
步骤四、在绝缘层Ⅰ（51）的表面涂覆负性的绝缘层Ⅱ（52），通过光刻工艺，将沟槽（11）的底部和沟槽的下拐角Ⅱ区域的无效的绝缘层Ⅱ（52）去除；
步骤五、依次通过溅射金属、光刻、电镀的方法选择性地实现彼此绝缘的再布线金属层，再布线金属层的一端通过绝缘层开口Ⅱ（502）与所述芯片电极对应连接，其另一端沿绝缘层Ⅱ（52）向外延伸至沟槽的上拐角Ⅰ区域，再沿绝缘层Ⅰ（51）至沟槽的下拐角Ⅱ区域和沟槽（11）的底部；
步骤六、在绝缘层开口Ⅰ（501）内填充介电层（4）；
步骤七、沿划片道（101）切割圆片（10），形成复数颗封装单体；
步骤八、将上述封装单体通过黏胶层（91）固定于基板（9）；
步骤九、利用打线工艺将金属引线（7）的一端与延伸至沟槽（11）的底部的再布线金属层连接，其另一端与基板（9）连接；
步骤十、采用塑封工艺将基板（9）上方的所有裸露的面空间塑封封装，形成塑封层（8）；
步骤十一、在塑封层（8）的表面电镀金属膜层（81）；
步骤十二、沿切割线（901）将完成封装的上述封装体切割成指纹识别传感器的封装结构单体。
6.根据权利要求5所述的一种指纹识别传感器的封装结构的封装方法，其特征在于：所述再布线金属层的材质为金属铝、钛/铝、铝/镍/金或铝/镍/钯/金。
7.根据权利要求5所述的一种指纹识别传感器的封装结构的封装方法，其特征在于：所述绝缘层Ⅰ（51）的材质为无机绝缘材料。
8.根据权利要求5所述的一种指纹识别传感器的封装结构的封装方法，其特征在于：所述绝缘层Ⅱ（52）的材质为有机绝缘材料。
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