CN106030611A - 指纹感测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及指纹感测装置以及制造该装置的方法。该装置包括具有读出电路系统的基板，感测芯片被安置于该基板上。该感测芯片包括：多个感测元件，其具有限定感测平面的表面，每个感测元件被配置成提供指示在感测元件和置于该感测装置上的手指之间的电磁耦合的信号；分别被安置于接合焊垫之间的接合焊线，这些接合焊垫位于基板上的感测芯片上，以将感测芯片电气连接至读出电路系统。接合焊线的一部分在该芯片上方突出，并且粘合剂被安置于感测芯片上以覆盖芯片，使得接合焊线在芯片上方突出的部分被嵌入在粘合剂中。保护性板件通过粘合剂被附接至感测芯片。保护性板件形成外部。

Description

指纹感测装置
技术领域
本发明涉及感测装置。更具体来说，本发明涉及用于感测指纹的装置，以及制造该装置的方法。
背景技术
随着用于身份验证的生物测定装置的发展，并且特别是指纹感测装置的发展，业已导致这些装置以更小、更便宜且更省电的方式来制作，因此增加对于这些装置的可行应用。
特别地，由于小体积、相对优点的成本/性能因素和高度的使用者可接受度，指纹感测业已越来越被采用于例如消费性电子装置中。
以用于提供指纹感测元件和辅助逻辑电路系统的CMOS技术为基础所建立的电容性指纹感测装置日益普遍，因为可以使这些感测装置是小型的且省电的，同时能够以高准确度来识别指纹。从而，电容性指纹传感器有利地被使用于消费性电子装置，诸如便携式计算机、平板计算机以及移动电话，例如智能电话。
指纹感测芯片典型地包括电容性感测元件阵列，以提供指示在若干个感测结构和置于指纹传感器的表面上的手指之间的电容的度量。感测芯片可进一步包括用于处理感测元件阵列的寻址的逻辑电路系统。
再者，感测芯片经常被安装在包括读出电路系统的分立的读出基板上，其中设置感测芯片的接触焊垫用于经由焊线接合实现至读出基板的相对应接触焊垫的电气连接。举例来说，读出基板可以是印刷电路板(PCB)。
然而，焊线接合以对应于接合的高度加上接合焊线的弧度的距离在感测芯片的表面上方突出，其被共同称作为焊线接合回路高度。据此，突出的焊线接合引入指纹传感器的组装和设计上的局限。更具体来说，在许多应用中期望提供平坦的指纹感测装置，不仅出于美观原因，而且因为感测表面的抬高部分会导致手指在突出部分附近部分地被提起。
为了实现平坦感测表面，可以提供足够厚的顶部涂层，使得突出的焊线接合被覆盖，从而形成平坦外部表面。然而，较厚的涂层导致置于该表面上的手指和位于该涂层下方的感测元件之间的较弱的电容性耦合，导致感测装置的降低的准确度。
US 2011/0254108公开了一种指纹感测装置，其中前文提及的改进电容性耦合的问题通过提供保护性板件而得以解决，该保护性板件具有增强在该板件的表面上的手指和位于该保护性板件下方的感测元件之间的电容性耦合的介电质。
然而，仍期望减小在指纹感测装置的表面和感测结构之间的距离，以增强电容性耦合。
发明内容
鉴于上文所述的指纹感测装置的期望的性质、以及现有技术的上述和其他缺陷，本发明的目的在于提供改进的指纹感测装置，以及用于制造该装置的方法。
根据本发明的第一方面，因此提供一种指纹感测装置，其包括：感测芯片，其被安置在基板上，感测芯片包括多个感测结构，每个感测结构具有感测元件，其中感测元件的表面限定感测平面，每个感测元件被配置成提供指示在感测元件和置于指纹感测装置的外部表面上的手指之间的电磁耦合的信号；接合焊线，其被安置在位于所述感测芯片上的第一接合焊垫和位于所述基板上的第二接合焊垫之间，以将感测芯片电连接至读出电路系统，其中第一接合焊垫位于感测平面中以及其中接合焊线的一部分在感测平面上方突出；粘合剂，其被安置在感测芯片上以覆盖感测芯片，使得接合焊线在感测表面上方突出的部分被嵌入在粘合剂中；以及保护性板件，其借助于粘合剂被附接至感测芯片，保护性板件形成指纹感测装置的外部表面。
在本说明书上下文中，感测芯片应被理解成芯片，其包括具有传导性板件或焊垫的形式的多个感测元件，其典型地排列成阵列，能够形成在每个感测元件和置于指纹感测装置的外部表面上的手指之间的电容性耦合。通过读出每个感测元件的电容性耦合，作为电容性耦合的距离依赖性的结果，能够检测指纹的隆起部(ridge)和凹陷部(valley)。为了实现具有足够分辨率的指纹图像，这些感测元件典型地显著小于手指的特征(隆起部和凹陷部)。一般来说，芯片还可被称为裸片。
保护性板件典型地包括介电材料，以便在置于该板件上的手指和感测芯片的感测元件之间提供良好的电容性耦合。具体地，保护性板件可以有利地包括玻璃或陶瓷材料，诸如化学增强玻璃、ZrO2或蓝宝石。上述材料皆提供有利性质，其在于坚硬且抵抗磨损及撕裂，并且在于具有介电，从而在置于保护性板件的表面上的手指和感测装置的感测元件之间提供良好的电容性耦合。在本文中所叙述的保护性板件通常形成指纹感测装置的外表面。
根据本发明的各种实施例的感测装置可被形成在传统的刚性PCB基板上，或者可使用柔性类型的基板来实现。
焊线接合在本文中被称为适合与本申请一起使用的任何类型的焊线接合，并且因而不限于特定接合技术。举例来说，焊线接合可以是球型焊线接合，其中球型凸块(即立柱(stud)凸块)被形成在感测芯片处。焊线接合还可以是所谓的倒装焊线接合，其中球型凸块被形成在基板处，以便降低焊线接合在感测芯片上的高度。焊线接合的回路高度被限定成如从感测平面看到的焊线接合的回路的最高点，该感测平面被视为与接合焊垫所在的平面相同。再者，接合焊垫还可被称为着陆焊垫。
粘合剂被安置成覆盖感测芯片，意谓着粘合剂被布置成基本上覆盖感测芯片的整个面积，这理想地用于在感测芯片和保护性板件之间提供均匀粘合和均匀电性质。
本发明基于实现下述：通过将接合焊线嵌入在用于将保护性板件附接至感测芯片的粘合剂中，可以减小感测平面和传感器表面之间的距离。通过减小的距离，电容性耦合得到改善并且传感器敏感度也增加。再者，不需要间隔层等来补偿焊线接合的回路高度，并且还可以使用在整个感测芯片表面上均匀的粘合剂，因为在接合焊线处不需要对该粘合剂进行修改。附加优点在于根据本发明的指纹感测装置不需要成型，从而消除耗费成本的制造步骤。
本发明的另一优点在于可以提供具有在标称厚度上的高准确度以及横向跨越感测芯片面积的高均匀性的粘合剂。由于通常存在对传感器装置的整体准确度和均匀性的严格需求，所以在粘合剂的厚度上的高准确度允许保护性板件的较低平坦性，从而使得可以维持关于厚度变化的整体容限，同时使用不太平坦/准确的保护性板件，这转而允许使用具有较高表面粗糙度的保护性板件，从而导致降低的成本。再者，相较于成型工艺，本发明的概念不依赖于裸片的准确放置，也不依赖于该晶片的背面研磨容限。
再者，根据本发明的各种实施例的感测装置提供了优于如下替代解决方案的优点：用于减小在感测元件和手指之间的距离，诸如使用边缘沟槽用于将接合焊垫安置在感测芯片上。具体来说，使用边缘沟槽占用感测区域外侧的特定区域，而根据本发明的感测装置在定位接合焊垫时提供较高灵活度，并且从而提供更高效的面积利用。
根据本发明的一个实施例，粘合剂优选地可具有至少等于接合焊线在感测平面上方突出的部分的高度的厚度。由于期望保持保护性板件和接合焊线之间的分离以降低与ESD(静电放电)现象相关的干扰风险，所以比接合焊线的回路高度更厚的粘合剂确保在接合焊线和保护性板件之间不存在接触。
在本发明的一个实施例中，粘合剂可有利地是粘合剂膜，其包括被安置成接触感测元件的第一粘合剂层、中间载体层和被安置成接触所述保护性板件的第二粘合剂层。中间载体层用于向粘合剂膜提供机械稳定性，同时仍是柔性的。由此，如果第一粘合剂层的厚度被选择为低于接合焊线的回路高度，则在该膜被置于感测芯片上时，中间载体层可用于在接合焊线上下拉，使得焊线接合的回路高度降低。这是有利的，因为提供了良好限定的装置，其中焊线接合的回路高度由第一粘合剂层的厚度限定，在焊线接合和保护性板件之间的距离由第二粘合剂层的厚度和中间载体层的厚度限定，并且感测表面和保护性板件之间的距离由胶带的整体厚度限定。上述的粘合剂膜还可被称为双面粘合剂膜或双面胶带。在厚度和均匀性上具有高准确度的适合在本申请中使用的这种双面胶带是商业可获得的。
在本发明的一个实施例中，中间载体层可有利地包括介电材料。粘合剂优选地是绝缘的，具有高电场击穿强度。据此，具有高电场击穿强度的粘合剂保护感测元件免于静电放电。
根据本发明的一个实施例，中间载体层可有利地包括具有至少100V/μm、并且优选地至少200V/μm的电场击穿强度的材料。原则上，期望具有尽可能高的电场击穿强度。
在一个实施例中，介电材料可以是聚酰亚胺(Polyimide)膜。通过使用具有对电击穿具有高抗性的介电膜的形式的中间载体层，ESD放电到达接合焊线的风险降低，使得可以减小接合焊线和保护性板件之间的距离，即通过减小胶带的第二粘合剂层的厚度。原则上，第二粘合剂层的厚度仅受限于粘合剂的性质，意谓着厚度必须足以在保护性板件和感测芯片之间提供适当且可靠的粘合。聚酰亚胺已知具有有利的ESD性质。
根据本发明的一个实施例，指纹感测装置可进一步包括被安置在基板上并且围绕感测芯片的框架，该框架从基板起所具有的高度大于感测芯片的高度，并且具有低于或等于感测芯片和粘合剂的组合高度的高度；其中基板的接合焊垫被定位在感测芯片和框架之间。该框架可借助于诸如胶水或胶带的粘合剂被机械式附接至基板。
在本发明的一个实施例中，指纹感测装置可进一步包括被安置在框架和保护性板件之间的密封材料，该密封材料被配置成密封框架和保护性板件之间的间隙。
再者，在本发明的一个实施例中，指纹感测装置可进一步包括被安置在感测芯片和框架之间的填充材料，填充在感测芯片和框架之间的空间。该框架用作障壁，允许在感测芯片和框架之间所形成的空间中使用以液体形式分配的填充材料。在散布之后，填充材料被固化以对基板上的接合焊线和接合焊垫提供保护。具体地，如果并未被适当地嵌入围绕材料中，则基板的接合焊线到接合焊垫的物理连接可能易于受到机械冲击的损害。为了能够使用液体填充材料，该框架沿着感测芯片的整个外周安置，使得感测芯片被框架所包围。
在本发明的一个实施例中，该粘合剂可有利地被安置成覆盖所述填充材料。从而，粘合剂延伸到感测芯片的区域外部，使得接合焊线原则上被完全嵌入粘合剂和填充材料的组合。据此，在机械冲击的情况下或由于腐蚀引起的对接合焊线损害的风险得以进一步降低。再者，通过延伸粘合剂还覆盖填充材料，对保护性板件提供额外的机械支持和额外的粘合，该保护性板件也可延伸到感测芯片的区域外部。理想地，填充材料达到感测芯片的全部高度。然而，该填充材料实际上可略低于感测芯片的高度。出于此原因，有利的是使用可压缩的粘合剂，使得粘合剂下凸至基板的表面平面以下，以便补偿填充材料和感测芯片之间在高度上的差异。从而，接合焊线能完全地被嵌入粘合剂和填充材料。
根据本发明的一个实施例，框架可有利地是宝石座(bezel)形状，其具有被配置成容纳保护性板件的内凹壁架。使用宝石座形式的框架使得易于将保护性板件准确地置于该宝石座中，因为该板件在被置于宝石座的壁架上时横向移动受限。该宝石座还提供额外保护，以避免污垢和湿气在保护性板件和围绕表面之间的间隙处渗入传感器。
出于美观的目的，宝石座也是理想的，因为其提供了围绕指纹传感器的保护性板件的框架。
根据本发明的一个实施例，保护性板件可有利地被机械附接至框架，以便形成包括保护性板件和框架的组件。举例来说，保护性板件可被融合或粘接至框架。该组件可借助于安置在感测芯片上的粘合剂而安装就位，该粘合剂将保护性板件附接至感测芯片。在将该组件安置在感测芯片上之后，在框架和基板之间可能存在空气间隙，这归于设计原因或者实际上由于制造工艺的容限所引起。
有利的是将粘合剂安置在框架和基板之间，用于机械粘合并且为了密封在该组件和感测芯片之间的间隙两者，以消除污垢和湿气到达感测芯片的可能性。举例来说，粘合剂可以在安装该组件时被预先安置在基板上，使得该组件的框架被附接至基板，同时该组件的保护性板件被附接至感测芯片。替选地，在安装该组件之后，粘合剂可从外部被分配到在框架和基板之间形成的空气间隙中。带角度的分配器可有利地用于将粘合剂分配到该空气间隙中。通过将粘合剂安置在该组件的框架部分和基板之间，感测芯片被该组件完全地密封，因此确保污垢和湿气无法到达接合焊线或感测芯片。从而，原则上不需要在感测芯片和框架之间使用填充材料，因为封装将用于保护接合焊线免于腐蚀、污垢和/或湿气。基板上的接合焊垫以及接合凸块可被装入环氧树脂的液滴中，诸如顶部点胶(glob-top)中，以保护接合免于机械冲击。通过消除对感测芯片和框架之间的填充材料的需要，可以避免复杂并且昂贵的制造步骤。替选地，在严格需要或期望填充材料的应用中，填充材料可从“背侧”分配，即通过基板中的开口分配。下文结合用于制造感测装置的方法，将讨论与将保护性板件机械附接至框架有关的进一步优点。
根据本发明的一个实施例，框架可有利地是导电的，以便为指纹感测装置提供ESD保护。提供至基板的传导性路径的导电框架将用作用于静电放电的导体，使得电荷能被安全地引开以防止电荷到达接合焊线和/或感测元件和感测芯片，其中所述电荷会引起对芯片和读出电路系统中的部件的损害。举例来说，通过将框架安置在基板的传导性部分上并且通过利用传导性粘合剂将框架附接至基板，框架可被电连接至基板。举例来说，传导性粘合剂可以是传导性环氧树脂材料。
再者，框架可借助于传导性和非传导性粘合剂的组合机械地且电气地连接至基板。为了实现充分的ESD保护，将传导性粘合剂仅安置在框架和基板之间的选定位置处会是足够的，而其余部分则可利用非传导性粘合剂加以填充，这是有利的，因为传导性粘合剂的花费高于非传导性粘合剂。
根据本发明的一个实施例，指纹感测装置可进一步包括被安置在基板上的多个接合焊线，其从基板突出并且接触框架，使得借助于接合焊线在基板和框架之间形成电连接。通过将例如具有接合焊线回路(具有基板上方的特定预定高度)的接合焊线安置在基板上，可在不使用传导性粘合剂的情况下在框架和基板之间形成电连接。如果期望密封在框架和基板之间的间隙，则如上文所述使用非传导性粘合剂。
在本发明的一个实施例中，保护性板件可有利地具有不同于感测芯片的几何特征的几何特征。由于粘合剂在安装保护性板件之前可被安置在感测芯片上，所以不需要保护性板件具有任何的特定的几何特征或尺寸，即保护性板件的几何特征不受感测芯片或粘合剂的几何特征的支配，从而允许使用任意形式的保护性板件。据此，提供了一种指纹感测装置，其中保护性板件能被制造成具有适合特定应用的任何形状或尺寸，而不需要对传感器的任何作用部分作出修改。
根据本发明的一个实施例，指纹感测装置可进一步包括作为保护性板件的整体部件的框架，该框架从保护性板件朝向基板延伸以包围感测芯片，使得基板的接合焊垫被定位于感测芯片和框架之间。框架作为保护性板件的整体部件应该被解释成意谓着保护性板件和框架由同一材料制成为一个工件。举例来说，板件和框架可由陶瓷或玻璃材料制成，其可被成型或蚀刻以提供期望的形状。框架和/或保护性板件的选定部分可随后被金属化，以提供期望的ESD偏转性质。金属化可使用本领域技术人员所知悉的惯用金属化技术来执行。
在本发明的一个实施例中，指纹感测装置可进一步包括多个电荷放大器，一个电荷放大器连接至每个感测结构，用于提供指示因手指和感测结构之间的电位差的改变引起的感测结构所承载的电荷的改变的感测信号。
根据本发明的第二方面，提供了一种制造指纹感测装置的方法，该方法包括下述步骤：提供包括具有限定感测平面的表面的多个感测元件的感测芯片，每个感测元件被配置成提供指示在该感测元件和置于指纹感测装置的外部表面上的手指之间的电磁耦合的信号；将感测芯片安置在包括读出电路系统的基板上；执行焊线接合，以借助于接合焊线将感测芯片的接合焊垫连接至基板的相对应接合焊垫，其中感测芯片的接合焊垫位于感测平面中，使得每个接合焊线的一部分突出在感测平面上方；将粘合剂安置在感测芯片上以覆盖所述感测芯片，使得每个接合焊线在感测平面上方突出的部分被嵌入在粘合剂中；将保护性板件安置在粘合剂膜上，使得保护性板件被附接至感测芯片，所述保护性板件形成指纹感测装置的外部表面。
本发明第二方面的许多效果和特征极大地类似于上文结合本发明的第一方面所述的效果和特征。然而，将在下述内容中进一步讨论关于该制造方法的特定优点。
要求保护的制造方法的优点在于，粘合剂被安置在感测芯片上，具有如下效果：粘合剂的几何特征不必匹配于保护性板件的几何特征。从而，保护性板件的形状能被独立地选择，从而允许使用任意形式的保护性板件。相较之下，已知的制造方法经常利用层迭技术，其中粘合剂被层迭在完整晶片或较大基板上，并且其中随后从晶片形成多个保护性板件。随后传统锯切技术将保护性板件的几何特征限制成方形或矩形。
根据本发明的一个实施例，安置粘合剂的步骤可有利地在粘合剂的玻璃-液体转变温度Tg以上的温度下执行。从而，粘合剂充分柔软(而不会自由流动)，以便在粘合剂被置于感测芯片上时容易地封入接合焊线。再者，粘合剂还可被安置以在感测芯片的外部延伸，如同上文相关于本发明的各种实施例所讨论的那样。
根据本发明的第三方面，提供了一种制造指纹感测装置的方法，该方法包括下述步骤：提供包括具有限定感测平面的表面的多个感测元件的感测芯片，每个感测元件被配置成提供指示在感测元件和置于指纹感测装置的外部表面上的手指之间的电磁耦合的信号；将感测芯片安置在包括读出电路系统的基板上；执行焊线接合，以借助于接合焊线将感测芯片的接合焊垫连接至基板的相对应接合焊垫，其中感测芯片的接合焊垫位于感测平面中，使得接合焊线的一部分突出在感测平面上方；将粘合剂安置在感测芯片上以接触感测元件，使得接合焊线在感测平面上方突出的部分被嵌入在粘合剂中；形成外罩，其包括保护性板件部分和从保护性板件突出的框架部分，框架部分被配置成在外罩被安置在感测芯片和基板上时围绕感测芯片；将外罩安置在感测芯片和基板上，使得保护性板件部分借助于粘合剂被附接至感测芯片。
本发明第三方面的额外效果和特征极大地类似于上文结合本发明的第一方面和第二方面所述的效果和特征。
在对所附权利要求和以下描述加以研究时，本发明的另外的特征及其优点将变得明显。本领域技术人员认识到：在不偏离本发明的范围的情况下，本发明的不同特征可加以组合以创建不同于在下文中所描述的实施例。
附图说明
现将参照示出本发明的示例实施例的附图来更详细地描述本发明的这些方面和其他方面，其中：
图1示意性图示包括根据本发明的实施例的指纹感测装置的手持式电子装置；
图2a到2b示意性图示根据本发明的实施例的指纹感测装置；
图3示意性图示根据本发明的实施例的指纹感测装置；
图4示意性图示根据本发明的实施例的指纹感测装置；
图5示意性图示根据本发明的实施例的指纹感测装置；
图6示意性图示根据本发明的实施例的指纹感测装置；
图7示意性图示根据本发明的实施例的指纹感测装置；
图8示意性图示根据本发明的实施例的指纹感测装置；
图9a到9b示意性图示感测元件的示例配置，这些感测元件被包括在根据本发明的实施例的指纹感测系统的实施例中；
图10a到10d示意性图示根据本发明的实施例的制造指纹感测装置的方法；
图11a到11d示意性图示根据本发明的实施例的制造指纹感测装置的方法；以及
图12a到12c示意性图示根据本发明的实施例的制造指纹感测装置的方法。
具体实施方式
在本详细说明中，根据本发明的指纹感测装置的各种实施例主要参照电容性指纹感测装置加以讨论。还讨论了用于制造指纹感测装置的方法。
图1是手持式装置100的示意性图示，该手持式装置100包括指纹感测装置102。指纹感测装置102可以用在例如需要对使用者进行识别和/或认证的方式的移动电话、平板计算机、便携式计算机或任何其他电子装置中。
图2a是具有指纹感测装置102的分解示图的形式的示意性图示，该指纹感测装置102包括基板104。该基板包括读出电路系统(未示出)，用于读取由安置在基板104上的指纹感测芯片106提供的信息。基板104可以是常规的印刷电路板(PCB)、柔性基板、或者是适合用在手持式应用中的任何其他类型的基板或载体。
感测芯片106进一步包括多个感测元件108，其具有限定感测平面的表面。每个感测元件108被配置成提供指示在该感测元件和置于指纹感测装置102的外部表面110上的手指之间的电磁耦合的信号。借助于安置在位于感测芯片106上的一组相应的第一接合焊垫114和位于基板104上的一组相应的第二接合焊垫116之间的多个接合焊线112，该信号被提供给基板的读出电路系统，藉此将感测芯片106电连接至基板104的读出电路系统。
如在图2a中可见，并且如在图2b中的横截面视图中更详细地可见，每个接合焊线112的一个部分突出在感测芯片106的感测平面上方。图2b中所示的是所谓的倒装焊线接合，其中接合凸块202位于基板104上而不在感测芯片106上。据此，倒装焊线接合可促进整体较低的焊线接合的回路高度。然而，本发明的各种优点可等同地应用在使用其他类型的焊线接合的实施例中。图2a和2b进一步图示了粘合剂118，用于将保护性板件120机械地附接至感测芯片106。在图2a中，粘合剂被图示为具有与感测芯片106相同的尺寸和形状，并且在图2b中，该粘合剂被布置成覆盖感测芯片106，使得接合焊线112在该感测平面上方的突出的部分被嵌入在该粘合剂中。在图2b中，可以看到，接合焊线112被嵌入在粘合剂118中的部分是该焊线中直接在感测芯片106上方的部分。粘合剂118的厚度大于接合焊线112的回路高度，以避免接合焊线112接触保护性板件120。保护性板件120可构成任何类型的绝缘材料，诸如陶瓷材料、SiO2,ZrO2、蓝宝石或化学增强玻璃，其适合用作形成指纹感测装置中的表面的顶层。
图2b进一步图示安置在感测芯片106和围绕的框架122之间的空间中的填充材料204。填充材料204用于保护接合焊线112和接合凸块202免于可能导致腐蚀的污染和湿气，并且使接合对机械冲击更有弹性。如图2a中所示框架122完全地围绕且包围感测芯片106意谓着填充材料204可以流体形式来设置，其接着确保该空间被完全填充的良好填充性质。即使感测芯片106和框架122之间的空间被图示为一个连续空间，该空间也可以同样良好地被分成可能分别填充有填充材料204的多个隔间。由于该制造工艺中的不准确，可能不能将框架122制造成正好与感测芯片106和粘合剂118的组合高度相同。因此，框架122可被制造成确保框架的高度不超过感测芯片106和粘合剂118的组合高度，藉此可能在框架122和保护性板件120之间留下小的间隙208。框架122有时可被称为宝石座。
框架122优选地由传导性材料制成，使得能够用于保护感测芯片106和接合焊线122免于静电冲击放电(ESD)。在手指和感测装置102的表面110之间积累的静电电荷随后将被传导性的框架122向下导引至基板104，其中该框架被连接至基板104的具有诸如地电位的已知电位的一个或更多个电极，或者被向下导引至专用的ESD电路系统。
图3示意性图示了指纹感测装置302，其在许多方面类似于图2b的装置102。然而，在图3中，粘合剂以包括三个层的粘合剂膜304的形式来设置。粘合剂膜304还可被称为胶带，并且具体来说是双面胶带。粘合剂膜304包括被安置为接触感测芯片106的表面的第一粘合剂层306、中间载体层308、以及被安置为接触保护性板件120的第二粘合剂层310。当使用上述类型的粘合剂膜时，第一粘合剂层306可被选择成具有小于焊线接合的回路高度的厚度。中间载体层308接着用于在粘合剂膜304被放置到感测芯片106上时下推至接合焊线112上，使得焊线接合的回路高度减小。据此，粘合剂的整体厚度可被减小，接着减小置于感测装置的表面上的手指和感测元件之间的距离，导致较好的电容性耦合。再者，该粘合剂可有利地具有高介电常数，以进一步增强在手指和感测元件之间的电容性耦合。
在实际示例中，接合焊线的回路高度是50μm，具有±20μm的容限，并且第一粘合剂层306具有40μm的厚度。中间载体层308优选地充分柔性，以允许载体层308在接触接合焊线112时略微弯曲，同时充分地刚性以避免接合焊线112太接近或触到保护性板件120。即使主要将参找具有包括中间载体层308的粘合剂膜304的形式来讨论以下示例实施例，但是这些示例实施例的许多优点和特征可等同地应用于使用单层粘合剂的情况。
再者，中间载体层可以包括介电材料，并且该介电材料优选地具有至少100V/μm、更优选地具有至少200V/μm的电场击穿强度。由介电材料制成的中间载体层308将降低ESD通过粘合剂膜304到达感测装置的风险。反过来说，任何静电电荷将具有被偏转并且经由围绕感测芯片106的传导性框架122进行放电的较高可能性，这提供了到基板104的较低电阻的路径。具体来说，来自位于保护性板件120的表面110上或其附近手指的放电很可能穿过保护性板件120侧的空气而到达框架122，原因在于空气具有的电场击穿强度显著地低于保护性板件120和粘合剂膜304的载体层308的电场击穿强度。举例来说，载体层308的介电材料可为聚酰亚胺(Polyimide)，已知其具有高电场击穿强度并且因而具有有利的ESD性质。
图3进一步图示了被安置在保护性板件120和框架122之间的间隙208中的密封材料312，其用于密封该装置，使得感测芯片120和接合焊线112完全被框架122和保护性板件120封状。举例来说，密封材料310可以是环氧树脂材料，其在安装保护性板件120之前被安置在框架122上。
图4图示了指纹感测装置402，其中粘合剂膜404延伸在感测芯片106的区域外部，以同样覆盖填充材料204的至少一部分。如从图4所见，接合焊线112几乎完全被粘合剂306和填充材料204所环绕，使得接合焊线112的整体几乎完全地受到保护以免于污染、腐蚀和机械冲击。粘合剂膜404还可被制成为略微可压缩，使得第一粘合剂层306如图4中所示下凸至感测芯片106的表面平面下方，藉此在填充材料204没有完全达到感测芯片106的高度的情况下将更大部分的或所有的接合焊线122嵌入。这可以在该制造工艺中存在不准确时进行，诸如在分配填充材料204时进行。在其中将粘合剂层安置在感测芯片106上之前先行分配填充材料的实施例中，填充材料204可刻意地被设置成未完全达到感测芯片106的高度，以确保填充材料204没有在感测芯片106的感测元件108上结束。
图5示意性示出了指纹感测装置502的一个实施例，其中粘合剂504被安置为延伸在感测芯片106的区域外部并且同样在填充材料204的外部，以覆盖填充材料204和框架122两者。由于保护性板件的较大区域部分受到支持且被附接，所以框架122接着可对保护性板件提供额外的机械性支持以及保护性板件的较佳的粘合。再者，即使框架122略低于感测芯片106的表面，因为粘合剂可与框架122接触，所以使用可压缩粘合剂仍可减轻框架高度在制造上的不准确。
图6示意性图示了具有宝石座形状的框架604的指纹感测装置602的一个实施例，框架604具有被配置成容纳保护性板件120的壁架606。具有容纳用的壁架606的框架604可被称为宝石座604。使用宝石座具有下述效果：该指纹传感器可以被有时候出于美观目的而期望的可视框架所围绕。再者，宝石座604对接合焊线112提供额外保护，原因在于使污垢和湿气更难以到达接合焊线112。使用宝石座的额外优点在于，潜在的ESD更易于到达传导性的宝石座604，藉此提供改进的ESD保护。
图7示意性图示了感测装置702，其中保护性板件120和框架122被连结在一起以形成组件704。典型地，组件704在被安装至基板104和感测芯片106上之前先行形成。举例来说，框架122和该保护性板件可被融合或粘接在一起以形成组件704。即使组件704被图示成包括两个独立构件，即框架122和保护性板件120，但是还可以例如通过成型从一块材料形成该组件，使得框架是保护性板件的整体部件。图7进一步图示了被安置在组件704的框架122和基板104之间的密封材料706。密封材料706能在安装组件704之前被预先沉积在基板104上，或者可以在已安装组件704之后使用带角度的分配器加以分配。同样应被指出的是，组件704借助于粘合剂118而被主要粘合至感测芯片106，粘合剂118被安置在感测芯片106和组件704的保护性板件120的部分之间。
借助于密封材料706，在框架122和感测芯片106之间的接合焊线112所在的空间能被完全且气密地密封，从而确保没有污垢和湿气能触及接合焊线112。因此，不需要填充材料，藉此提供了较简单的制造工艺。然而，仍然可能需要保护接合焊线112免于机械冲击所造成的损害，特别是在接合焊线112碰到基板104的位置处，即在接合凸块202处。这样的保护可以通过将密封材料708沉积为环绕接合凸块202来实现。举例来说，密封材料708可以是环氧树脂材料，诸如顶部点胶涂布。为了出于ESD目的而在框架和基板之间提供良好的电连接，密封材料708有利地包括传导性材料，诸如传导性环氧树脂。还可以仅在沿着该框架周围的选定位置处使用传导性密封材料，这些位置接着可与基板104上接地的或连接到专用ESD电路的连接焊垫一致。其余部分可接着被填充有非传导性密封材料。替选地或者组合地，基板104可设置有在选定位置处从基板104突出的接合焊线和/或接合焊线的回路(未示出)，使得框架122经由接合焊线的回路进行与基板104的电接触。这些回路应在基板104上方突出充分高，使得安装框架时被框架下压，以便于确保足够接触。据此，在不需要传导性密封材料的情况下，框架122可被电连接至地或ESD电路系统。
再者，使用组件704减轻与所使用的不同部件的处理变化相关的潜在问题。实际上，将框架122的高度控制到足够的准确程度或许是困难及/或所费不赀的。如上文所述通过使用组件704和在框架和基板104之间的密封材料，因为不需要考虑到框架122的制造容限，所以实现了保护性板件120和感测芯片106之间的最佳耦合。由于在框架122和基板104之间的耦合以及由于在保护性板件的表面110和框架122之间的最小化距离，使用组件704同样提供有利的ESD性质。
即使可以使用如上文所述的组件实现完全封闭的接合焊线，可能仍期望在框架和感测芯片106之间的空间中使用填充材料。图8示意性图示了指纹传感器装置802，其中填充材料804能经由基板104中的开口806从该装置的背侧加以提供。开口806被安置成使得不会与基板104的接合焊垫相交。
现将参照图9a到9b来描述上述指纹传感器的实施例中包括的感测元件108的示例配置904。为清楚起见，未示出感测装置的粘合剂层和保护性板件。
如从图9a中所见，感测元件108被形成为包括三个传导层的层状结构，即在顶部的传导层M3、中间的传导层M2以及下部传导层M1，在相应的传导层M3、M2和M1下面的绝缘介电材料的第一层51、第二层52和第三层53，以及安置在传导层M3上的绝缘层50。用于这些传导层的材料的示例典型为铜、铝和经过掺杂的多晶硅树脂。用于这些绝缘层的材料的示例典型为SiO2、SiN、SiNOx和旋涂式玻璃。
此外，用于形成感测元件108的层状结构可包括由导电层构成的第四层P2(第二多晶硅)，其被保持在相对于传感器地VL的特定模拟电压电位AVdd。再者，存在同样由导电层构成的第五层P1(第一多晶硅)，其被保持在传感器地电位VL，用作电屏蔽。在这些层P2、P1中的每个下方，存在绝缘介电材料的第四层63和第五层64。在底部，存在包括诸如电荷放大器54的有源部件的半传导性基板层D1。举例来说，上文所述的传导层P2、P1以及下部传导层M1可用于电连接、电阻器和电屏蔽的路由。传导层P2、P1中的一个还可被用于形成每个感测元件108的下部电极55，来替代第二金属层M2。
图9a中所示的感测元件108包括在顶部的传导层M3中形成的感测结构70。感测结构70被连接至感测元件电路72，其包括电荷放大器54、下部电极55、重置开关56和取样及保持电路系统65。
如在图7a中所见，感测结构70被连接至电荷放大器54的负输入端子58。电荷放大器54的正输入端子59被连接至传感器地电位VL。因此，借助于电荷放大器54，相应的感测结构70被虚拟地接地(传感器地)，原因在于电荷放大器54的输入端子58、59上的电压几乎是零。根据该电荷放大器的电路实现，可能在该运算放大器的负输入端子58和正输入端子59之间存在小的且基本上恒定的电压，诸如CMOS晶体管的栅极电压。
亦如在图7b中见，每个感测结构70可被在顶部的传导层M3中所形成的屏蔽框架60所围绕，其中屏蔽框架60被连接至传感器地电位VL，作为传导性屏蔽以避免在相邻的感测结构15b之间的侧向寄生电容，从而避免或至少降低在感测元件104之间的所谓的串扰。屏蔽框架60同样可被连接至另一个合适电位。
再者，再次参照图7a和图2a，存在覆盖感测结构70中的每个的外罩结构14，以保护感测元件108免于ESD(静电放电)和外部磨损。该外罩结构在本文中被描述成包括粘合剂118和保护性板件120。进入保护性板件120的上部表面110近区的手指12使得在手指12和感测结构70之间的电容Cfinger上升。
如在图7a中所见，感测元件电路72中包括的下部电极55在中间的传导层M2中形成。下部电极55被连接至电荷放大器54的输出端子80。存在感测结构70和每个下部电极55之间形成的反馈电容Cref，该反馈电容Cref被连接在电荷放大器54的负输入端子58和该输出端子80之间。
辅助下部电极90同样形成在中间的传导层M2中，与下部电极55相邻。辅助下部电极90被连接至传感器地电位VL并且被用作外加屏蔽，原因在于下部电极55典型上可具有小于感测结构70的面积。
下部电极55可被配置成实现用于感测元件电路72的期望增益。具体来说，可以合适地选择下部电极55的尺寸，原因在于该增益取决于反馈电容Cref，其接着取决于感测结构70、下部电极55和绝缘的第一层51的物理尺寸。除了下部电极55，辅助下部电极90的尺寸同样被调整以便进行适配。
如上文所述，使传感器地电位VL相对于手指12的电位进行摆动(swing)将导致在每个感测结构70和手指12之间的电压的改变，这接着将导致感测结构70承载的电荷的改变。
被感测结构70承载的电荷的改变与在皮肤和感测结构70之间的电容Cfinger成比例。当感测结构70相对于传感器接地电位VL而被虚拟接地时，其电荷被电荷放大器54转移到下部电极55。如此接着可将来自电荷放大器54的电压计算成：
Uout＝(Cfinger/Cref)Uin
取样及保持电路系统65优选地使用相关双取样对输出电压Uout进行取样以移除共模噪声的低频成分。
取样及保持电路系统65受控于控制信号，并且将指示感测结构70和手指12之间的电容性耦合的像素信号Spixel输出到模拟-数字转换器(未示出)。
图10到12示意性图示了根据本发明的各种实施例的制造指纹传感器装置的方法。这些制造方法将参照包括三个层，即第一粘合剂层306、中间载体层308和第二粘合剂层310的粘合剂膜304来进行说明。然而，如本领域技术人员易于理解的，上述制造方法可对等地应用于使用单个层的粘合剂材料。
首先，在图10a中，包括多个感测元件的感测芯片106借助于粘合剂而被安置在基板104上，该粘合剂例如可以是粘合剂膜或胶带。接下来，如图10b中所示，执行焊线接合以将感测芯片106的感测元件连接到基板104上的读出电路系统。使用倒装焊线接合，使得接合凸块202位于基板处，这有助于降低在感测芯片106处的焊线接合的高度。在图10c中，保护性密封材料708被安置成覆盖基板104上的接合凸块202，并且粘合剂膜304被安置在感测芯片上。最后，在图10d中，顶部的保护性板件120被安置在感测芯片106上，并且接触粘合剂膜304。粘合剂膜304在加热阶段被施加，其中该膜被加热到该粘合剂的玻璃转变温度Tg以上，使得该膜的第一粘合剂层306和第二粘合剂层310开始流动。因此，当粘合剂膜304被放置在感测芯片106上时，接合焊线112在感测芯片106的表面上方突出的部分被容易地嵌入第一粘合剂层306中。保护性板件120在同一加热阶段被放置在粘合剂膜304上，并且随后执行后固化步骤，其中粘合剂膜304以130度进行一小时的固化。
在图11a到11d所图示的制造方法中，如与图10b相同的图11a所图示，关于图10a到10b所讨论的步骤以相同方式来执行。接下来，框架122被安置成围绕感测芯片。如上文所讨论的，框架122使用传导性粘合剂、非传导性粘合剂或前述的组合而被附接至基板104。接下来，在图11c中，填充材料204被分配在框架122和感测芯片之间的空间中，以保护接合焊线122。最后，在图11d中，粘合剂膜被安置在感测芯片106上，并且顶部的保护性板件120被安置在感测芯片106上并且接触粘合剂膜304。
重要的是，框架不高于感测芯片106和粘合剂膜104的组合高度，原因在于这会导致在保护性板件和感测芯片106之间的不充分的粘合。由于框架122的制造不准确，所以框架122实际上被制造成使得确保该框架的高度小于感测芯片106和粘合剂膜304的组合高度。据此，在框架122和保护性板件120之间可能存在小的间隙。
图12a到12c示意性图示了使用组件704的制造工艺，组件704包括框架122的部分和保护性板件120的部分。图12a图示了安置在基板104上的感测芯片106以及将该感测芯片连接至该基板的接合焊线122。这些制造步骤以关于图10和11所讨论的相同方式来执行。
在图12b中，组件704被安置到感测芯片106和基板104上。框架的粘合借助于粘合剂膜304而主要地在保护性板件120和感测芯片106之间实现。
图12c图示将液体的填充材料804分配到由感测芯片106、组件704和基板104形成的封闭空间内。然而，使用填充材料804是基本选项，原因在于接合焊线112被完全地封装并且从而借助于组件704和密封材料706而被保护。为保护接合凸块202，密封材料708可如图7和图10c中所示那样加以使用。
即使已参照本发明的具体的示例实施例描述了本发明，但是许多不同的替选方案、修改方案等对于本领域技术人员而言将变得显明。同时，应注意，本发明的装置的部件可被省略，可以各种方式来交换或安置，而该传感器装置仍然能够执行本发明的功能性。
此外，根据对附图、公开内容和所述权利要求的研究，本领域技术人员在实践要求保护的发明时能够理解并且实施所公开的实施例的变化方案。在权利要求书中，词语“包括”并未排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”并未排除多个。单纯事实是，在相互不同的从属权利要求中记载的某些措施并未指示使用这些措施的组合是无益的。
尽管已示出和描述了本发明的优选实施例，可以设想，本领域的技术人员可在所附权利要求的精神和范围内设计对本发明的各种修改。

Claims (26)

1.一种指纹感测装置，包括：
基板，其包括读出电路系统；
感测芯片，其被安置在所述基板上，所述感测芯片包括多个感测结构，每个感测结构具有感测元件，其中所述感测元件的表面限定感测平面，每个感测元件被配置成提供指示在所述感测元件和置于所述指纹感测装置的外部表面上的手指之间的电磁耦合的信号；
接合焊线，其被安置在位于所述感测芯片上的第一接合焊垫和位于所述基板上的第二接合焊垫之间，以将所述感测芯片电连接至所述读出电路系统，其中所述第一接合焊垫位于所述感测平面中，以及其中所述接合焊线的一部分突出在所述感测平面上方；
粘合剂，其被安置在所述感测芯片上以覆盖所述感测芯片，使得所述接合焊线在所述感测平面上方突出的部分被嵌入在所述粘合剂中；以及
保护性板件，其借助于所述粘合剂被附接至所述感测芯片，所述保护性板件形成所述指纹感测装置的外部表面。
2.如权利要求1所述的指纹感测装置，其中所述粘合剂的厚度至少等于所述接合焊线在所述感测平面上方突出的所述部分的所述高度。
3.如权利要求1或2所述的指纹感测装置，其中所述粘合剂是粘合剂膜，所述粘合剂膜包括：
第一粘合剂层，被安置成接触所述感测元件；
中间载体层；以及
第二粘合剂层，被安置成接触所述保护性板件。
4.如权利要求3所述的指纹感测装置，其中所述第一粘合剂层的厚度至少等于所述接合焊线在所述感测表面上方突出的所述部分的高度。
5.如权利要求3或4所述的指纹感测装置，其中所述中间载体层包括介电材料。
6.如权利要求5所述的指纹感测装置，其中所述中间载体层包括具有至少100V/μm，并且优选地至少200V/μm的电场击穿强度的材料。
7.如权利要求3至6中任一项所述的指纹感测装置，其中所述中间载体层包括聚酰亚胺膜。
8.如前述权利要求中任一项所述的指纹感测装置，进一步包括：
框架，其被安置在所述基板上并且围绕所述感测芯片，所述框架从所述基板起所具有的高度大于所述感测芯片的高度，并且具有低于或等于所述感测芯片和所述粘合剂的组合高度的高度；其中位于所述基板上的所述第二接合焊垫被定位在所述感测芯片和所述框架之间。
9.如权利要求8所述的指纹感测装置，进一步包括被安置在所述框架和所述保护性板件之间的密封材料，所述密封材料被配置成密封在所述框架和所述保护性板件之间的间隙。
10.如权利要求8或9所述的指纹感测装置，进一步包括被安置在所述感测芯片和所述框架之间的填充材料，所述填充材料填充所述感测芯片和所述框架之间的空间。
11.如权利要求10所述的指纹感测装置，其中所述粘合剂被安置和配置成覆盖所述填充材料。
12.如权利要求8至11中任一项所述的指纹感测装置，其中所述粘合剂被安置和配置成覆盖所述框架。
13.如权利要求8至11中任一项所述的指纹感测装置，其中所述框架具有宝石座形状，其具有被配置成容纳所述保护性板件的内凹壁架。
14.如权利要求8至11中任一项所述的指纹感测装置，其中所述保护性板件被机械附接至所述框架。
15.如权利要求8至14中任一项所述的指纹感测装置，其中所述框架是导电的。
16.如权利要求15所述的指纹感测装置，进一步包括将所述框架连接至所述基板的传导性粘合剂。
17.如权利要求15所述的指纹感测装置，进一步包括被安置在所述基板上的多个接合焊线，所述接合焊线从所述基板突出并且与所述框架接触，使得借助于所述接合焊线在所述基板和所述框架之间形成电连接。
18.如权利要求1至7中任一项所述的指纹感测装置，进一步包括作为所述保护性板件的整体部件的框架，所述框架从所述保护性板件朝向所述基板延伸以包围所述感测芯片，使得所述基板的所述接合焊垫被定位在所述感测芯片和所述框架之间。
19.如前述权利要求中任一项所述的指纹感测装置，其中所述保护性板件的几何特征不同于所述感测芯片的几何特征。
20.如前述权利要求中任一项所述的指纹感测装置，其中所述感测芯片进一步包括：
多个电荷放大器，一个电荷放大器被连接至所述感测结构中的每个感测结构，用于提供指示由于手指和感测结构之间的电位差的改变引起的感测结构所承载的电荷的改变的感测信号。
21.一种制造指纹感测装置的方法，所述方法包括下述步骤：
提供包括多个感测元件的感测芯片，所述多个感测元件具有限定感测平面的表面，每个感测元件被配置成提供指示在所述感测元件和置于所述指纹感测装置的外部表面上的手指之间的电磁耦合的信号；
将所述感测芯片安置在基板上，所述基板包括读出电路系统；
执行焊线接合，以借助于接合焊线将所述感测芯片的接合焊垫连接至所述基板的相对应的接合焊垫，其中所述感测芯片的所述接合焊垫位于所述感测平面中，使得所述接合焊线的一部分突出在所述感测平面上方；
将粘合剂安置在所述感测芯片上以覆盖所述感测芯片，使得所述接合焊线在所述感测平面上方突出的所述部分被嵌入在所述粘合剂中；以及
将保护性板件安置在所述粘合剂膜上，使得所述保护性板件被附接至所述感测芯片，所述保护性板件形成所述指纹感测装置的外部表面。
22.如权利要求21所述的方法，其中将粘合剂安置在所述感测芯片上的步骤包括安置粘合剂膜，所述粘合剂膜包括与所述感测元件接触的第一粘合剂层、中间载体层以及被配置成与所述保护性板件接触的第二粘合剂层。
23.如权利要求22所述的方法，其中所述中间载体层包括介电材料。
24.如权利要求21至23中任一项所述的方法，其中安置粘合剂的步骤包括安置覆盖所述感测芯片的整个表面区域的粘合剂。
25.如权利要求21至24中任一项所述的方法，其中安置粘合剂的步骤在等于或高于所述粘合剂的玻璃-液体转变温度Tg的温度下执行。
26.一种制造指纹感测装置的方法，所述方法包括下述步骤：
提供包括多个感测元件的感测芯片，所述感测元件具有限定感测平面的表面，每个感测元件被配置成提供指示在所述感测元件和置于所述指纹感测装置的外部表面上的手指之间的电磁耦合的信号；
将所述感测芯片安置在基板上，所述基板包括读出电路系统；
执行焊线接合，以借助于接合焊线将所述感测芯片的接合焊垫连接至所述基板的相对应的接合焊垫，其中所述感测芯片的所述接合焊垫位于所述感测平面中，使得所述接合焊线的一部分突出在所述感测表面上方；
将粘合剂安置在所述感测芯片上以接触所述感测元件，使得所述接合焊线在所述感测平面上方突出的所述部分被嵌入在所述粘合剂中；
形成外罩，所述外罩包括保护性板件部分和从所述保护性板件突出的框架部分；所述框架部分被配置成在所述外罩被安置在所述感测芯片和所述基板上时围绕所述感测芯片；以及
将所述外罩安置在所述感测芯片和所述基板上，使得所述保护性板件部分借助于所述粘合剂被附接至所述感测芯片。
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