CN108321215B - 光学指纹识别芯片的封装结构及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了一种光学指纹识别芯片的封装结构，包括：芯片，所述芯片包括相对的正面以及背面，所述正面具有光学指纹识别区以及位于光学指纹识别区外围的多个焊垫，所述多个焊垫与所述光学指纹识别区电耦合，所述光学指纹识别区由多个阵列排布的像素点组成，所述像素点用于采集指纹信息；第一透光粘合层，覆盖于所述芯片的正面；滤光片，贴覆于所述第一透光粘合层上；第二透光粘合层，覆盖于所述滤光片上；硅片，贴覆于所述第二透光粘合层上，所述硅片上对应光学指纹识别区具有多个通孔，所述多个通孔与所述多个像素点一一对应。本发明还提供了制作上述封装结构的方法。本发明的封装结构能够实现更薄的厚度。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其是一种光学指纹识别芯片的封装结构及其制作方法。
背景技术
随着科学技术的不断进步，越来越多的电子设备广泛的应用于人们的日常生活以及工作当中，为人们的日常生活以及工作带来了巨大的便利，成为当今人们不可或缺的重要工具。而随着电子设备功能的不断增加，电子设备存储的重要信息也越来越多，电子设备的身份验证技术成为目前电子设备研发的一个主要方向。
由于指纹具有唯一性和不变性，使得指纹识别技术具有安全性好、可靠性高以及使用简单等诸多优点。因此，指纹识别技术成为当下各种电子设备进行身份验证的主流技术。
目前，芯片是现有电子设备常用的指纹识别芯片之一，其通过指纹识别区域的大量的感光像素（pixel）来采集使用者的指纹信息，每个感光像素作为一个检测点。具体的，进行指纹识别时，光线照射至使用者的指纹面并经过指纹面反射至感光像素，感光像素将指纹的光信号转换为电信号，根据所有感光像素转换的电信号可以获取指纹信息。
芯片需要通过封装形成相应的封装结构，以便于对芯片进行保护以及以便于与电子设备的电路互联。但是目前的技术并不能满足芯片封装超薄的需要，为此，仍需对现有技术进行改进。
发明内容
本发明的目的在于提供一种芯片的封装结构，该芯片的封装结构制造容易，能够实现超薄的厚度。
本发明的目的还在于提供一种芯片的封装结构的制作方法，该芯片的封装结构的制作方法制作效率高，而且工艺简单，能够使封装结构更薄。
为实现上述发明目的，本发明揭示了一种光学指纹识别芯片的封装结构，包括：芯片，所述芯片包括相对的正面以及背面，所述正面具有光学指纹识别区以及位于光学指纹识别区外围的多个焊垫，所述多个焊垫与所述光学指纹识别区电耦合，所述光学指纹识别区具有多个阵列排布的像素点，所述像素点用于采集指纹信息；第一透光粘合层，覆盖于所述芯片的正面；滤光片，贴覆于所述第一透光粘合层上；第二透光粘合层，覆盖于所述滤光片上；硅片，贴覆于所述第二透光粘合层上，所述硅片上对应指纹识别区具有多个通孔，所述多个通孔与所述多个像素点一一对应。
作为本发明一实施方式的进一步改进，所述滤光片的形状和位置与所述光学指纹识别区匹配，所述滤光片的周围填充有塑封材料。
作为本发明一实施方式的进一步改进，所述硅片的形状和位置与所述光学指纹识别区匹配，所述硅片的周围填充有塑封材料。
作为本发明一实施方式的进一步改进，所述硅片对应所述光学指纹识别芯片正面的一面与所述塑封材料的表面齐平。
作为本发明一实施方式的进一步改进，所述光学指纹识别芯片的封装结构还包括粘接膜，所述粘接膜贴覆于所述硅片对应所述光学指纹识别芯片正面的一面。
作为本发明一实施方式的进一步改进，所述光学指纹识别芯片的封装结构还包括设置于所述背面的再布线层和设置在所述再布线层的电连接端子，所述电连接端子与所述再布线层电连接，且用于与外部电路电连接。
作为本发明一实施方式的进一步改进，第一透光粘合层和所述第二透光粘合层是DAF膜、DF膜或者涂布的透光粘合材料。
本发明还包括一种芯片的封装结构的制作方法，所述制作方法包括以下步骤：
提供晶元，所述晶元包括多颗阵列排布的芯片，每一芯片具有光学指纹识别区和位于光学指纹识别区外围的多个焊垫，所述多个焊垫与所述光学指纹识别区电耦合，所述晶元具有相对设置的第一表面和第二表面，所述光学指纹识别区设置于第一表面；
在所述晶元的第一表面贴附第一透光粘合层；
在所述第一透光粘合层上贴覆滤光片；
在所述滤光片上贴覆第二透光粘合层；
在所述第二透光粘合层上与所述芯片一一对应的贴覆硅片，在贴覆硅片的一面形成阻挡层，使每两颗硅片之间的空间被阻挡层完全填充，并且硅片完全被阻挡层覆盖；
研磨所述阻挡层，露出硅片；
在硅片上形成与所述光学指纹识别区对应的具有网状通孔的光学透镜。
作为本发明一实施方式的进一步改进，在所述第一透光粘合层上贴覆滤光片具体为与所述芯片一一对应的贴覆多颗滤光片，在第一透光粘合层上的间隙处填充塑封材料。
作为本发明一实施方式的进一步改进，所述制作方法还包括在形成光学透镜的一面贴覆粘接膜。
作为本发明一实施方式的进一步改进，通过激光打孔或者刻蚀工艺形成所述网状通孔。
作为本发明一实施方式的进一步改进，通过塑封、干膜或印刷工艺中的至少一种形成所述阻挡层。
作为本发明一实施方式的进一步改进，还包括对晶元的第二表面进行减薄处理。
作为本发明一实施方式的进一步改进，减薄处理后，在晶元的第二表面进行TSV工艺和再布线工艺。
作为本发明一实施方式的进一步改进，所述制作方法还包括对再布线工艺形成的再布线层上形成电连接端子，然后对形成的封装结构进行切割，形成多个包含单个芯片的封装结构。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明在芯片的正面依次贴覆滤光片和硅片，且滤光片和硅片的外围被阻挡层填充，在芯片的背面形成再布线层以及电连接端子。由此，可以形成超薄的芯片封装结构，并且工艺稳定和可靠性高。
附图说明
图1是本发明优选的第一实施方式中芯片封装结构的示意图；
图2是用于图1中芯片封装结构的晶元的示意图；
图3是图2中沿A-A线的剖视示意图；
图4是在图3晶元上贴覆第一透光粘合层后的封装结构示意图；
图5是图4中的封装结构上贴覆滤光片后的封装结构示意图；
图6是图5中的封装结构贴覆第一透光粘合层后的封装结构示意图；
图7是图6中的封装结构贴覆硅片后的封装结构示意图；
图8是图7中的封装结构填充塑封材料后的封装结构示意图；
图9是图8中的封装结构研磨后的封装结构示意图；
图10是图9中的封装结构在硅片上形成网状通孔后的封装结构示意图；
图11是图10中的封装结构在硅片上贴覆粘接膜后的封装结构示意图；
图12是图11中的封装结构在芯片背面形成通孔后的封装结构示意图；
图13是图12中的封装结构在芯片背面形成绝缘层后的封装结构示意图；
图14是图13中的封装结构的进行再布线后的封装结构示意图；
图15是图14中的封装结构在再布线层上覆盖阻焊层的示意图；
图16是图15中的封装结构在阻焊层上开口并形成焊接凸起的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，提供这些附图的目的是为了有助于理解本发明的实施例，而不应解释为对本发明的不当限制。为了更清楚起见，图中所示尺寸并未按比例绘制，可能会做放大、缩小或其他改变。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。另外，以下描述的第一特征在第二特征之“上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
请参考图1和图3所示，为本发明优选实施例提供的光学指纹识别芯片的封装结构，包括：光学指纹识别芯片10，光学指纹识别芯片具有相对的正面11以及背面12；光学指纹识别芯片10的正面具有光学指纹识别区A以及位于光学指纹识别区A外围的封装区B，多个焊垫13设置于封装区B内，焊垫13与光学指纹识别区A电耦合，光学指纹识别区A由多个阵列排布的像素点14组成，像素点14用于采集指纹信息。焊垫13用于与外部电路电连接。进行光学指纹识别时，光线照射至使用者的指纹面并经过指纹面反射至感光的像素点14，感光的像素点14将指纹的光信号转换为电信号，外部电路经由焊垫13获取光学指纹识别芯片检测到的指纹信息。也就是说，其通过指纹识别区域的大量的像素点来采集使用者的指纹信息，每个感光的像素点作为一个检测点。
需要说明的是，本发明实施例中，光学指纹识别芯片的结构不局限实施例图示结构。本发明适用于光学指纹识别区A与焊垫13位于同一表面的光学指纹识别芯片。光学指纹识别芯片10的正面11贴覆有第一透光粘合层21，该第一透光粘合层21可以是DAF膜、DF膜或者涂布的透光粘合材料等等。第一透光粘合层21上贴覆有滤光片30，用于滤除可见光。优选的，滤光片30的形状和位置与光学指纹识别区A匹配。滤光片30上还贴覆有第二透光粘合层22，该第二透光粘合层22也可以是DAF膜、DF膜或者涂布的透光粘合材料等等。第二透光粘合层22上贴覆有硅片40，硅片40上对应光学指纹识别区A具有多个通孔，多个通孔与多个像素点14一一对应。硅片40具有较低的介电常数，通过设置多个通孔可以对入射光线的路径进行调节控制，使得特定入射角度的管线照射对应的像素点，避免不同像素点之间的串扰问题，提高光学指纹识别的准确性。通孔的尺寸和像素点的尺寸同数量级，其孔径较小，具有小孔成像功能，通过小孔成像功能对光线的路径进行调节控制。
具体的，硅片40上的通孔可以采用深硅刻蚀工艺形成，通孔的形状尺寸与像素点的形状尺寸一致。当然也可以采用激光打孔的工艺形成。本发明实施例中，硅片40为单晶硅片、或多晶硅片、或非晶硅片、或锗化硅片、或碳化硅片等半导体材料制备的硅片。一方面，半导体材料的硅片具有较低的介电常数，能够有效降低相邻像素点的串扰问题，另一方面，半导体材料制备的硅片的莫氏硬度一般在10以上，硬度较高，机械强度大，手指按压时，不会产生厚度形变，不会影响光学指纹识别的准确性，且硅片40可以复用为光学指纹识别芯片封装结构的盖板，无需单设置盖板，降低了光学指纹识别芯片10的厚度以及制作成本。
相对于采用具有通孔的光刻胶层用以避免串扰的现有技术方案，一方面，本发明采用的硅片在避免串扰问题的同时，可以使得封装结构的盖板具有较大的机械强度，进行光学指纹识别时，硅片不会由于受到手指的按压而导致厚度的形变，保证了光学指纹识别的准确度；另一方面，还可以对光学指纹识别芯片的基底进行进一步的减薄处理，在保证封装结构机械强度以及避免串扰问题的同时，使得光学指纹识别芯片具有较薄的厚度。
图1所示实施方式中，光学指纹识别芯片10与滤光片30以及滤光片30与硅片40之间分别通过第一透光粘合层21和第二透光粘合层32进行压合固定。当然还可以设置滤光片30与硅片40通过焊接工艺进行固定。另外，滤光片30的形状和位置与光学指纹识别区A匹配，滤光片30的周围填充有塑封材料50，而且硅片40的形状和位置同样与光学指纹识别区A匹配，硅片40的周围也同样填充有塑封材料，硅片40对应光学指纹识别芯片10正面11的一面与塑封材料的表面齐平。当然，塑封材料也可以由其它材料替代，如阻焊材料，可以通过塑封、干膜或印刷工艺中的至少一种形成的阻挡电镀或蚀刻的阻挡层。
进一步的，硅片40对应光学指纹识别芯片10正面11的一面还贴覆有粘接膜23，粘接膜23可以是胶带，以在封装的时候对封装结构的正面进行保护。光学指纹识别芯片10的背面12设置有再布线层70，至少用于电连接焊垫13。再布线层70上设置有电连接端子，本实施例中优选的，电连接端子构造为焊接凸起(BGA)73，当然也可以是形成在再布线层70上的平面焊垫（LGA），即由再布线层70的一部分构成的接触端子。焊接凸起73与通过再布线层70与焊垫13电连接，且用于与外部电路电连接。再布线的金属线材料是铜，再布线铜与焊垫13之间有增强再布线铜和焊垫13相互附着力的金属或合金薄膜，该金属或者合金材料可以是镍，钛，镍铬，钛钨等。再布线层70的形成方法包括金属着膜、光刻、镀铜、去膜、铜/钛蚀刻的一序列工艺。
配合参照图12所示，光学指纹识别芯片10的背面设置有贯穿光学指纹识别芯片10的过孔15，过孔15用于露出焊垫13，以便于实现焊接凸起73与焊垫13的电连接。其中，过孔15可以为双层台阶过孔，倒梯形孔或者直孔。具体的，直孔可以为圆柱形或是棱柱形过孔。此时，过孔在由正面表面指向背面表面的方向上，过孔的孔径逐渐不变。当然，直孔的横截面还可以是矩形、椭圆形或者其它形状。过孔15与焊垫13一一对应，过孔15用于露出对应的焊垫13。形成过孔15的方法有激光打孔、光刻等。焊接凸起73通过设置在过孔15内的再布线层70与焊垫13电连接。再布线层70与光学指纹识别芯片10之间还具有绝缘层60。绝缘层60覆盖过孔15的侧壁，且露出过孔15的底部，以便于再布线层70和焊垫13电连接。再布线层70覆盖过孔的底部以及绝缘层60。焊接凸起73位于绝缘层60表面。绝缘层60优选的构造为绝缘/介电薄膜，绝缘/介电薄膜是光敏感的绝缘/介电薄膜，如SU-8。光敏感介电薄膜可以通过旋转涂覆或压膜、光刻的一序列工艺沉积在光学指纹识别芯片10的背面12。另外，在再布线层70表面还设置有阻焊层80，阻焊层80表面具有设置有焊接凸起73的开口，以便于设置焊接凸起73，使得焊接凸起73和开口处的再布线层70电连接。形成阻焊层80的方法包括防沉积、光刻、化学镀镍/铝的一序列工艺。
通过上述描述可知，本发明实施例封装结构中，在光学指纹识别芯片10的正面11依次贴覆滤光片30和硅片40，且滤光片30和硅片40的外围被阻挡层填充，在光学指纹识别芯片10的背面12形成再布线层70以及电连接端子。由此，可以形成超薄的芯片封装结构。
基于上述封装结构实施例，本发明还提供了一种封装方法，该封装方法用于形成上述实施例的封装结构，封装方法如图2到图16所示，为本发明实施例提供的光学指纹识别芯片的封装方法的流程示意图，该封装方法包括如下步骤：
如图2和图3所示，提供晶元100，该晶元100包括多颗阵列排布的光学指纹识别芯片10，每一光学指纹识别芯片10具有光学指纹识别区A和位于光学指纹识别区A外围的多个焊垫13，多个焊垫13与光学指纹识别区A电耦合，晶元100具有相对设置的第一表面和第二表面，对应于光学指纹识别芯片10的正面11和背面12，光学指纹识别区A设置于第一表面，相邻的光学指纹识别芯片10之间具有切割沟道，以便于在后续切割工艺中进行切割处理。每一光学指纹识别芯片10包括设置于正面11上的光学指纹识别区A以及包围光学指纹识别区A的封装区B。像素点14设置在光学指纹识别区A。在封装区B设置有焊垫13。焊垫13与光学指纹识别区A电耦合。焊垫13用于与外部电路电连接。进行光学指纹识别时，外部电路经由焊垫13获取光学指纹识别芯片10检测到的指纹信息。
需要说明的是，相邻两个光学指纹识别芯片10之间的切割沟道仅为两个光学指纹识别芯片10之间预留的用于切割的留白区域，切割沟道与两侧的光学指纹识别芯片10之间不具有实际的边界线。
如图4所示，在晶元100的第一表面贴附第一透光粘合层21，该第一透光粘合层21可以是DAF膜、DF膜或者涂布的透光粘合材料等等。
如图5所示，在第一透光粘合层21上贴覆滤光片30，其中，贴覆的滤光片30为与光学指纹识别芯片10一一对应的多颗滤光片30，滤光片30的形状和位置与光学指纹识别芯片10上的光学指纹识别区A匹配。
如图6所示，在滤光片30上贴覆第二透光粘合层22，该第二透光粘合层22也可以是DAF膜、DF膜或者涂布的透光粘合材料等等。
如图7所示，在第二透光粘合层22上与光学指纹识别芯片10一一对应的贴覆硅片40，硅片40的形状和位置也与光学指纹识别芯片上的光学指纹识别区匹配。
如图8所示，在贴覆硅片40的一面形成阻挡层，使每两颗硅片之间的空间被阻挡层完全填充，并且硅片40完全被阻挡层覆盖，具体的可以通过塑封在贴覆硅片40的一面施加塑封材料50，塑封材料50填充光学指纹识别芯片10之间的间隙并覆盖硅片40。当然，也可以是干膜或印刷工艺来形成该阻挡层。
如图9所示，研磨阻挡层，露出硅片40。
如图10所示，在硅片40上形成与光学指纹识别区A对应的具有网状通孔的光学透镜，可以通过激光打孔或者刻蚀工艺形成该网状通孔。
如图11所示，可以在硅片40对应光学指纹识别芯片10正面11的一面上贴覆粘接膜23。
如图12所示，由于硅片40具有较强的机械强度，可以对晶圆100的第二表面进行减薄，以使得切割后的光学指纹识别芯片10具有较薄的厚度。也就是说，可以对所有光学指纹识别芯片10的背面12进行减薄处理，降低光学指纹识别芯片10的厚度。如可以采用机械研磨工艺对晶圆100的第二表面进行减薄。然后，在晶元的第二表面形成通孔15，通孔用于露出焊垫13。
如图13到图16所示，在晶元100的第二表面形成至少用于电气连接芯片的再布线层70，再布线层70的形成方法包括金属着膜、光刻、镀铜、去膜、铜/钛蚀刻的一序列工艺。在再布线层70上形成电连接端子。具体的，在形成通孔15之后，依次形成绝缘层60、再布线层70以及阻焊层80，在阻焊层80上进行开口，开口用于露出部分再布线层70，在开口处形成焊接凸起73或者平面焊垫。对图16中形成的封装结构进行切割，形成多个如图1中所示的单个的芯片的封装结构。
通过上述描述可知，本发明实施例封装方法可以用于形成上述实施例的封装结构，封装工艺简单，制作成本低，形成的封装结构具有较薄的厚度。
虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (15)
1.一种光学指纹识别芯片的封装结构，其特征在于，包括：
芯片，所述芯片包括相对的正面以及背面，所述正面具有光学指纹识别区以及位于光学指纹识别区外围的多个焊垫，所述多个焊垫与所述光学指纹识别区电耦合，所述光学指纹识别区具有多个阵列排布的像素点，所述像素点用于采集指纹信息；
第一透光粘合层，覆盖于所述芯片的正面；
滤光片，贴覆于所述第一透光粘合层上；
第二透光粘合层，覆盖于所述滤光片上；
硅片，贴覆于所述第二透光粘合层上，所述硅片上对应光学指纹识别区具有多个通孔，所述多个通孔与所述多个阵列排布的像素点一一对应；
所述硅片的形状和位置与所述光学指纹识别区匹配，所述硅片的周围填充阻挡层。
2.根据权利要求1所述的光学指纹识别芯片的封装结构，其特征在于，所述滤光片的形状和位置与所述光学指纹识别区匹配，所述滤光片的周围填充有塑封材料。
3.根据权利要求1所述的光学指纹识别芯片的封装结构，其特征在于，所述阻挡层为塑封材料。
4.根据权利要求3所述的光学指纹识别芯片的封装结构，其特征在于，所述硅片对应所述光学指纹识别芯片正面的一面与所述塑封材料的表面齐平。
5.根据权利要求1所述的光学指纹识别芯片的封装结构，其特征在于，所述光学指纹识别芯片的封装结构还包括粘接膜，所述粘接膜贴覆于所述硅片对应所述光学指纹识别芯片正面的一面。
6.根据权利要求1所述的光学指纹识别芯片的封装结构，其特征在于，所述光学指纹识别芯片的封装结构还包括设置于所述背面的再布线层和设置在所述再布线层的电连接端子，所述电连接端子与所述再布线层电连接，且用于与外部电路电连接。
7.根据权利要求1所述的光学指纹识别芯片的封装结构，其特征在于，第一透光粘合层和所述第二透光粘合层是DAF膜、DF膜或者涂布的透光粘合材料。
8.一种光学指纹识别芯片的封装结构的制作方法，其特征在于，所述制作方法包括以下步骤：
提供晶元，所述晶元包括多颗阵列排布的芯片，每一芯片具有光学指纹识别区和位于光学指纹识别区外围的多个焊垫，所述多个焊垫与所述光学指纹识别区电耦合，所述晶元具有相对设置的第一表面和第二表面，所述光学指纹识别区设置于第一表面；
在所述晶元的第一表面贴附第一透光粘合层；
在所述第一透光粘合层上贴覆滤光片；
在所述滤光片上贴覆第二透光粘合层；
在所述第二透光粘合层上与所述芯片一一对应的贴覆硅片，在贴覆硅片的一面形成阻挡层，使每两颗硅片之间的空间被阻挡层完全填充，并且硅片完全被阻挡层覆盖；
研磨所述阻挡层，露出硅片；
在硅片上形成与所述光学指纹识别区对应的具有网状通孔的光学透镜。
9.如权利要求8所述的制作方法，其特征在于，在所述第一透光粘合层上贴覆滤光片具体为与所述芯片一一对应的贴覆多颗滤光片，在第一透光粘合层上的间隙处填充塑封材料。
10.如权利要求8所述的制作方法，其特征在于，所述制作方法还包括在形成光学透镜的一面贴覆粘接膜。
11.如权利要求8所述的制作方法，其特征在于，通过激光打孔或者刻蚀工艺形成所述网状通孔。
12.如权利要求8所述的制作方法，其特征在于，通过塑封、干膜或印刷工艺中的至少一种形成所述阻挡层。
13.如权利要求8所述的制作方法，其特征在于，还包括对晶元的第二表面进行减薄处理。
14.如权利要求13所述的制作方法，其特征在于，减薄处理后，在晶元的第二表面进行TSV工艺和再布线工艺。
15.如权利要求14所述的制作方法，其特征在于，所述制作方法还包括对再布线工艺形成的再布线层上形成电连接端子，然后对形成的封装结构进行切割，形成多个包含单个芯片的封装结构。
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