CN104752519A - 覆盖衬底上的半导体装置和制造其的方法 - Google Patents

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Abstract

传感器装置包括传感器管芯、第二衬底和导体组装件。传感器管芯包括：第一衬底，其具有前和后表面；传感器，其设置在该前表面中或处；接合盘，其设置在前表面中或处并且电耦合于传感器；和多个开口，每个从后表面延伸到接合盘中的一个。第二衬底具有顶和底表面，其中第二衬底的底表面安装到第一衬底的前表面。导体组装件通过所述开口中的至少一些而电耦合于所述接合盘中的至少一些。

Description

覆盖衬底上的半导体装置和制造其的方法
相关申请
该申请要求2013年12月27日提交的美国临时申请号61/921,323的权益，并且其通过引用而合并于此。
技术领域
本发明涉及生物计量识别传感器，并且更特定地涉及这样的装置的封装。
背景技术
电子装置并且特别地移动电子装置正变得更加普遍。在这些装置中处理的数据在数量和灵敏度两方面增长。需要安全装置来保护电子装置的用户免受潜在危害。这样的安全装置需要在准确性、形式因子和可用性方面突出。
常规的指纹传感器装置在US专利8,358,816中公开，其通过引用合并于此。公开的装置使用线性光传感器来捕捉用户的指纹。然而，线性光传感器可容易受攻击，从而使它成为非常弱的安全装置。例如，人们可以简单地在一张纸上打印指纹并且使用打印的指纹来访问指纹传感器装置所保护的装置。线性光传感器无法区分仿纸拷贝和真实手指。另外，线性光传感器还需要用户做出重击动作。重击必须精确且良好地定位，从而使得有时难以使用它。最后，该装置的封装未基于形式因子和装置集成这一思想来设计。封装是庞大的，并且一般需要具有窗口的特殊设计的装置覆盖。
存在对于改进的生物计量识别传感器的需要。
发明内容
上文提到的问题和需要由传感器装置解决，其包括传感器管芯、第二衬底和导体组装件。该传感器管芯包括：第一衬底，其具有前和后表面；传感器，其设置在该前表面中或处；接合盘，其设置在前表面中或处并且电耦合于传感器；和多个开口，每个从后表面延伸到接合盘中的一个。第二衬底具有顶和底表面，其中第二衬底的底表面安装到第一衬底的前表面。导体组装件通过开口中的至少一些而电耦合于接合盘中的至少一些。
形成传感器装置的方法包括：提供传感器管芯（其包括具有前和后表面的第一衬底、设置在该前表面中或处的传感器和设置在前表面中或处并且电耦合于传感器的接合盘）；形成多个开口，每个从后表面延伸到接合盘中的一个；将第二衬底的底表面安装到第一衬底的前表面；以及使导体组装件通过开口中的至少一些电耦合于接合盘中的至少一些。
本发明的其他目标和特征将通过回顾说明书、权利要求和附图而变得明显。
附图说明
图1-4、5A-5C、6A-6D和7-8是图示本发明的封装传感器的形成的侧面横截面视图。
图5D是图示用于形成地平面的一个或多个槽的模式的顶视图。
图9-13是图示用于使各种部件互连的备选实施例的侧面横截面视图。
具体实施方式
本发明是生物计量识别（指纹）传感器，指纹传感器的封装和这样的装置的集成。传感器使用例如电容、电磁、红外和光子等传感技术来实现指纹的最佳读取。本发明包括这样的装置到电子系统内的封装和集成，其中传感器可以直接设置在手持机装置的屏幕下方（或作为屏幕的部分）用于用户的指纹识别和验证。
图1-8图示形成封装传感器中的步骤，其通过提供传感器晶片10而开始，该传感器晶片10包括硅衬底12、传感器活动区域14（每个包含一个或多个传感器15）和电耦合于传感器15的接合盘16，如在图1中示出的。每个活动区域14可以包括下列传感器中的一个或多个：电容传感器、电磁传感器、IR传感器和/或光子传感器。传感器活动区域14可以由并排、在另一个顶部上或交错放置的多个类型的传感器组成。活动区域14中的一个或多个传感器响应于在衬底表面处或附近的外部刺激而生成一个或多个输出信号，其耦合于接合盘16。多个活动区域14在单个传感器晶片10上形成，并且后者沿其之间的划线18分开以形成个体传感器管芯。这样的传感器晶片的形成和配置是众所周知的并且在本文未进一步描述。可以通过机械研磨、化学机械抛光（CMP）、湿法蚀刻、大气下游等离子体（ADP）、干法化学蚀刻（DCE）和/或前面提到的工艺的组合或用于减少衬底12的厚度的一个或多个任何另外合适的硅薄化方法来对衬底12的后表面（与衬底12的前表面相对，在其处定位传感器15和接合盘16）执行可选的硅薄化。
沟槽20沿划线18并且在一个或多个传感器接合盘16上形成到衬底12的后表面内。沟槽20可以使用本领域众所周知的光刻掩模和各向异性干法蚀刻工艺来形成。沟槽20优选地朝衬底12的前表面延伸但未达到它。机械锯削或任何其他机械研磨工艺相反可以用于形成沟槽20。通孔（即孔）22从沟槽20的底部形成到硅内以暴露传感器接合盘16。孔22可以通过激光、干法蚀刻、湿法蚀刻或本领域内众所周知的任何另外合适的VIA形成方法而形成。每个沟槽20和对应的孔22形成从衬底的后表面延伸到接合盘16中的一个的开口。可选的钝化材料24可以沉积在孔22的壁上，以及在围绕孔22的开口的沟槽20中，同时使得传感器接合盘16在孔22的端处暴露。尽管未示出，硅晶片10的整个背面也可以用钝化材料24来涂覆。钝化材料24可以是二氧化硅或氮化硅。优选地，钝化层24由至少0.5μm的二氧化硅组成，其使用二氧化硅沉积方法（其可以是物理气相沉积（PVD）或一个或多个任何另外合适的沉积方法）形成。所得的结构在图2中示出。
VIA孔22可以进一步可选地用例如铜等导电材料或本领域内众所周知的任何其他导电材料来涂覆或填充。例如铜等金属材料是优选的，并且可以通过电镀或溅射工艺来沉积。然后使用平版蚀刻工艺来选择性地去除铜，从而使得通孔用铜来涂覆或填充。可选地，迹线和路线可以在沟槽20中和衬底12的后表面上形成。此时，增强层可以可选地在衬底12的前表面上形成。该增强层可以是防反射涂层、电磁屏蔽层、天线层、滤光片层、微透镜层和/或通常在本领域内使用来增强传感器装置的一个或多个任何其他传感器增强层。
粘附层28优选地在衬底12的前表面上形成，其可以是反应-设置粘附物、管芯附着带、热设置粘附物或本领域内众所周知的任何其他类型的晶片接合剂。粘附层在厚度上优选地是0.1μm至100μm。备选地，粘附层28相反可以沉积在下文描述的覆盖衬底上，或在覆盖衬底和衬底12两者上。粘附剂在当前状态未被激活。粘附层28可以通过本领域内众所周知的化学或机械工艺而平坦化和薄化。应注意粘附层28可以完全省略，由此传感器芯片可以通过模塑材料而保持在覆盖衬底上。部件沿划线18的晶片级切块/切割可以用机械刀片切块设备、激光切削、化学蚀刻或任何其他合适的工艺进行来产生个体半导体装置（例如，个体传感器装置），每个在独立传感器管芯30上，如在图3中示出的。
提供覆盖衬底32，其可以是例如具有涂覆物层的玻璃或装置覆盖上可以包括的其他电子装置结构。覆盖衬底32优选地由例如塑料、玻璃等介电材料组成。如果传感器15包括光子传感器，覆盖衬底32的光学透明度是优选的或甚至需要的。否则，覆盖衬底32优选地由例如玻璃等光学不透明材料组成。覆盖衬底32可以配置用于直接安置在便携式装置的屏幕下方、安置在这样的屏幕的孔径中或甚至可以是这样的屏幕的一部分。凹槽34可以可选地在覆盖衬底32的顶表面中形成，其将安置在传感器15上以增强传感器的灵敏度。灵敏度由于外部环境与传感器15之间的距离中的减少而增加。凹槽34可以通过蚀刻、机械研磨或任何其他合适的方法而对于特定覆盖衬底形成。凹槽34的深度优选地大于覆盖衬底的总厚度的30%。所得的结构在图4中示出。
地平面槽36可以在覆盖衬底32的顶或底表面中形成。槽36可以通过蚀刻、激光、机械研磨或任何其他合适的方法而形成。槽36的模式可以是随机的（或伪随机的）并且在覆盖衬底32上的任何期望位点上。槽36的壁可以是锥形或垂直的。例如，槽36可以是形成到衬底32的底表面内的具有垂直侧壁的槽，如在图5A中示出的。备选地，槽36可以形成到覆盖衬底的顶表面内，后跟对应通孔38在达到槽36的底表面中的形成，如在图5B中图示的。或者，槽可以一直延伸通过覆盖衬底32（从顶到底表面），如在图5C中图示的。在后者的情况下，槽36不应在覆盖衬底32中创建连续窗口，其将危及衬底的完整性（即应是不连续模式的形式，如在图5D中示出的）。
地平面40通过用导电材料（优选地，金属材料）填充槽36而形成。地平面40充当对于电容型传感器的地平面天线。可以使用例如铝、铜、钢、金、银等金属材料或任何其他类金属。金属可以通过溅射、电镀或预铸块（其可以插入地平面槽36内）而沉积。该金属结构提供许多性质，例如电磁屏蔽、装饰增强、可用性提高，但一般，结构在它具有焦平面和地平面的情况下由电容传感器使用。为了增加焦平面灵敏度和准确性，地平面做得更大。地平面与焦平面相比越大，它越不灵敏，并且焦平面将更准确。地平面是可选的，并且可以在电子装置中的别处存在。图6A图示由设置在衬底32的底表面中形成的槽36中的导电材料形成的地平面40。图6B图示相同的地平面40，但其中导电材料延伸到槽36外。图6C图示由设置在衬底32的底表面上的导电材料形成的地平面40，其中没有形成或使用槽。图6D图示作为在衬底的顶表面中的槽36中形成并且延伸到槽36外的导电材料以及在槽36和通孔38中形成（其中圆角部分延伸到槽36外）的导电材料而形成的地平面40。
传感器管芯30然后安装到覆盖衬底32，优选地使用之前论述的粘附物28的薄层。备选地，粘附物32的薄层沉积在覆盖衬底32的底表面上，其中粘附物在当前状态未被激活。粘附层优选地被平坦化，并且具有0.1μm至100μm的厚度。然后可以拾取传感器管芯30并且将它放置在覆盖衬底32上（即，衬底12的前表面安装到覆盖衬底32的底表面）。粘附层可以通过热、压力、化学试剂或任何其他合适的方法而激活。传感器管芯30可以放置在覆盖衬底32的底表面上的任何地方，但优选地与凹槽34（如果存在的话）对齐。所得的结构在图7中示出。
传感器管芯30可以通过线接合44和/或导体组装件46而电连接到外部电路。线接合在本领域内众所周知的，并且导体组装件46可以例如是柔性印刷电路板（柔性PCB）、刚性PCB等，其优选地安装到覆盖衬底32。如果传感器管芯30包含电容电路，则传感器管芯30优选地也连接到地平面40或某种大的金属结构或金属网络。所得的结构在图8中示出。
图9图示备选互连实施例，其中从传感器管芯30到地平面40的连接通过导体组装件46而布线，该导体组装件46通过线接合44而也连接到传感器接合盘16。
图10图示另一个备选互连实施例，其中使地平面40和传感器管芯30连接的线接合44通过在导体组装件46中形成的孔42。
图11图示另一个备选互连实施例，其中代替地平面和线接合，导体组装件46（例如，柔性PCB）通过电互连47直接接合到传感器管芯30。具体地，多个导体组装件46可以单独在传感器管芯30的侧面上接合，或具有窗口或孔径（传感器管芯30至少部分设置在其中）的单个导体组装件46可以接合到传感器管芯30。导体组装件46与传感器管芯30之间的互连47可以是导电凸块或任何其他倒装芯片配置。如需要的话，地平面可以通过导体组装件46而布线到装置的另一个结构。
图12图示再另一个备选互连实施例，其中导电地平面48附着到传感器管芯30的后表面。线接合44用于使地平面48连接到传感器管芯30，并且导体组装件46用于使传感器管芯30连接到外部电路。
图13图示再另一个备选互连实施例，其中导体组装件46附着到传感器管芯30的后表面。线接合44用于使传感器管芯30连接到导体组装件46。可选的包封材料50可以用于覆盖和保护线接合44和它们的连接点。
要理解本发明不限于上文描述和本文图示的实施例，而包含落在附上的权利要求的范围内的任何和所有变化。例如，在本文对本发明的引用不意在限制任何权利要求或权利要求项的范围，而相反仅参考可被权利要求中的一个或多个所涵盖的一个或多个特征。上文描述的材料、过程和数字示例仅是示范性的，并且不应认为限制权利要求。此外，如从权利要求和说明书显而易见的，不是所有的方法步骤都需要按图示或要求保护的确切顺序执行，而相反按允许本发明的封装传感器正确形成的任何顺序执行。最后，单层的材料可以作为多层的这样或相似的材料而形成，并且反之亦然。
应注意，如本文使用的术语“在…之上”和“在…上”都包含性地包括“直接在…上”（没有中间材料、元素或空间设置在其之间）和“间接在…上”（中间材料、元素或空间设置在其之间）。同样，术语“相邻”包括“直接相邻”（没有中间材料、元素或空间设置在其之间）和“间接相邻”（中间材料、元素或空间设置在其之间），“安装到”包括“直接安装到”（没有中间材料、元素或空间设置在其之间）和“间接安装到”（中间材料、元素或空间设置在其之间），并且“电耦合”包括“直接电耦合于”（没有使元素连接在一起的中间材料或元素或空间设置在其之间）和“间接电耦合于”（使元素连接在一起的中间材料或元素设置在其之间）。例如，“在衬底之上”形成元素可以包括在没有中间材料/元素在其之间的情况下直接在衬底上形成元素，以及在其之间具有一个或多个中间材料/元素的情况下间接在衬底上形成元素。

Claims (22)

1. 一种传感器装置，包括：
传感器管芯，其包括：
第一衬底，其具有前和后表面；
传感器，其设置在所述前表面中或处；
接合盘，其设置在所述前表面中或处并且电耦合于所述传感器；和
多个开口，每个从所述后表面延伸到所述接合盘中的一个；
第二衬底，其具有顶和底表面，其中所述第二衬底的所述底表面安装到所述第一衬底的所述前表面；以及
导体组装件，其通过所述开口中的至少一些而电耦合于所述接合盘中的至少一些。
2. 如权利要求1所述的传感器装置，其中所述第一衬底包括形成到所述前表面中并且设置在所述传感器上的凹槽。
3. 如权利要求1所述的传感器装置，其中所述开口中的每个包括形成到所述后表面中的沟槽，和从所述沟槽延伸到所述接合盘中的一个的孔。
4. 如权利要求1所述的传感器装置，其中所述导体组装件是柔性印刷电路板。
5. 如权利要求1所述的传感器装置，进一步包括：
导电材料，其设置在所述第二衬底上和/或中来形成地平面；
线接合，其延伸通过所述开口中的一个并且使所述导电材料电连接到所述接合盘中的一个。
6. 如权利要求5所述的传感器装置，其中所述线接合电耦合于所述导体组装件，并且所述导体组装件电耦合于所述导电材料。
7. 如权利要求5所述的传感器装置，其中所述线接合延伸通过所述导体组装件中的孔。
8. 如权利要求5所述的传感器装置，其中所述第二衬底包括在其中形成的一个或多个槽，并且其中所述导电材料至少部分设置在所述一个或多个槽中。
9. 如权利要求1所述的传感器装置，其中所述导体组装件安装到所述第二衬底的底表面，并且其中所述导体组装件通过线接合穿过所述开口中的至少一些而电耦合于所述接合盘中的至少一些。
10. 如权利要求1所述的传感器装置，其中所述导体组装件通过电互连而安装到所述传感器管芯，所述电互连中的每个在所述接合盘中的一个与所述导体组装件之间延伸。
11. 如权利要求1所述的传感器装置，进一步包括：
导电材料，其安装到所述第一衬底的后表面；
线接合，其延伸通过所述开口中的一个并且使所述导电材料电连接到所述接合盘中的一个。
12. 如权利要求1所述的传感器装置，其中所述导体组装件安装到所述第一衬底的后表面，并且其中所述导体组装件通过线接合穿过所述开口中的至少一些而电耦合于所述接合盘中的至少一些。
13. 如权利要求12所述的传感器装置，进一步包括：
环绕所述线接合的包封材料。
14. 一种形成传感器装置的方法，包括：
提供传感器管芯，其包括：
第一衬底，其具有前和后表面；
传感器，其设置在所述前表面中或处，和
接合盘，其设置在所述前表面中或处并且电耦合于所述传感器；
形成多个开口，每个从所述后表面延伸到所述接合盘中的一个；
将第二衬底的底表面安装到所述第一衬底的所述前表面；以及
使导体组装件通过所述开口中的至少一些电耦合于所述接合盘中的至少一些。
15. 如权利要求14所述的方法，进一步包括：
将凹槽形成到所述第一衬底的前表面中使得所述凹槽设置在所述传感器上。
16. 如权利要求14所述的方法，其中形成所述开口中的至少一个包括：
将沟槽形成到所述后表面中，以及
将孔形成从所述沟槽延伸到所述接合盘中的一个。
17. 如权利要求14所述的方法，进一步包括：
在所述第二衬底上和/或中形成导电材料的地平面；以及
使线接合的第一端耦合于所述导电材料并且使所述线接合的第二端耦合于所述接合盘中的一个。
18. 如权利要求17所述的方法，其中形成所述地平面包括：
在所述第二衬底中形成一个或多个槽，以及
将所述导电材料至少部分安置在所述一个或多个槽中。
19. 如权利要求14所述的方法，进一步包括：
使所述导体组装件安装到所述第二衬底的底表面，以及
用线接合使所述导体组装件电耦合于所述接合盘中的至少一些。
20. 如权利要求14所述的方法，进一步包括：
使用电互连使所述导体组装件安装到所述传感器管芯，所述电互连中的每个在所述接合盘中的一个与所述导体组装件之间延伸。
21. 如权利要求14所述的方法，进一步包括：
使导电材料安装到所述第一衬底的后表面；
使线接合的第一端耦合于所述导电材料并且使所述线接合的第二端耦合于所述接合盘中的一个。
22. 如权利要求14所述的方法，进一步包括：
使所述导电组件安装到所述第一衬底的后表面，其中所述电耦合包括使线接合的第一端耦合于所述导体组装件以及使所述线接合的第二端耦合于所述接合盘中的至少一些。
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