CN108734155A - 一种超薄指纹识别芯片的封装方法及其封装结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超薄指纹识别芯片的封装方法及其封装结构，属于指纹识别芯片封装领域，其工艺流程如下：晶圆及基板框架进行等离子体清洗；离型膜上涂布半固化树脂层，再与基板框架的背面贴合；使用芯片贴装机将晶圆上的芯片倒装至基板框架的正面；使用模压成型工艺塑封芯片和基板框架；塑封产品后固化；塑封产品的塑封层打磨减薄工艺；通过解键合工艺分离离型膜；塑封产品的保护膜打磨减薄工艺；保护膜涂布耐磨层；激光切割成型。本发明获得了保护膜与超薄指纹识别芯片、基板框架、塑封料之间的可靠的结合力，解决了产品外观不良，整个封装流程简洁。
Description
技术领域
本发明涉及一种超薄指纹识别芯片的封装方法及其封装结构，属于指纹识别芯片封装领域。
背景技术
指纹是人体独一无二的特征，指纹识别技术是当今生物识别技术的关键。如今手机成了人们日常生活中不可缺少的一部分，由于使用次数频繁，反复输入密码也让人感觉很不方便，有了指纹识别系统，让用户感觉更方便快捷安全。
但指纹识别芯片的可靠性性能不能满足测试要求，需要对其进行二次封装，以使其能够满足可靠性、超薄、屏下等符合当前手机发展趋势的要求。目前指纹识别领域普遍采用Substrate封装，但在实际生产过程中，发现在指纹识别产品表面有大量的外观不良，如图1所示的Die Mark (芯片痕迹)和Dent（凹凸点）。
发明内容
本发明主要针对现有封装技术的不足，提出了一种改善外观不良的超薄指纹识别芯片的封装方法及其封装结构。
本发明的目的是这样实现的：
本发明提供了一种超薄指纹识别芯片的封装方法，其工艺流程如下：
步骤一：晶圆及基板框架采用氩气和氢气作为清洗气体进行等离子体清洗，所述晶圆上为复数颗完成封装工艺的超薄指纹识别芯片单元，其正面设置有介电层，其背面设置有焊球；
步骤二：离型膜上涂布半固化树脂层，再与步骤一中完成清洗的基板框架的背面贴合；
步骤三：使用芯片贴装机将步骤一的超薄指纹识别芯片单元倒装至完成步骤二的基板框架的正面的待贴芯片处；
步骤四：使用模压成型工艺塑封步骤三中的超薄指纹识别芯片单元和基板框架，形成塑封产品；
步骤五：将步骤四的塑封产品进行后固化工艺，半固化树脂层形成保护膜；
步骤六: 将步骤五完成固化的塑封产品的塑封层进行打磨减薄工艺，露出焊球的焊接面；
步骤七: 采用解键合工艺分离离型膜；
步骤八: 将剥离离型膜的保护膜进行减薄和研磨工艺；
步骤九: 保护膜表面涂布耐磨层；
步骤十:激光切割形成单颗封装体，同时去除基板框架。
本发明步骤二中，所述半固化树脂层为PSA或silicone adhesive（硅酮胶），其内含有雾化颗粒，雾度4~5%，透过率95~97%。
本发明所述半固化树脂层的厚度60微米~200微米。
本发明步骤二中，所述离型膜包括离型膜基层921和胶层922。
本发明步骤四中，所述塑封产品的塑封厚度大于产品设计厚度，且其塑封厚度误差控制：+/-15微米。
本发明步骤八中，所述保护膜厚度减薄至20微米+/-2微米。
本发明所述研磨面的表面粗糙度Ra：0.2~0.5微米。
本发明在分离离型膜之前，需要将步骤六中的塑封产品进行180℃、4小时烘烤。
本发明还提供了一种超薄指纹识别芯片的封装结构，其包括指纹识别传感器芯片和包封体，所述指纹识别传感器芯片的正面设有指纹感应识别区域和若干个芯片电极，所述芯片电极设置于指纹感应识别区域的一侧，所述包封体包封所述指纹识别传感器芯片和金属连接件，其上表面露出指纹识别传感器芯片的正面，所述指纹识别传感器芯片的正面和包封体的上表面覆盖图案化的绝缘层，且于所述芯片电极处开设绝缘层开口，所述绝缘层的上表面选择性地设置正面再布线金属层，所述正面再布线金属层分布于所述指纹感应识别区域的正面的垂直区域之外的芯片电极的一侧，并通过绝缘层开口与芯片电极连接，所述指纹识别传感器芯片的正面涂布介电层，所述介电层覆盖正面再布线金属层和绝缘层，所述金属连接件设置于指纹识别传感器芯片的一侧且就近设置于芯片电极旁，且与芯片电极的个数一一对应，所述金属连接件为再布线金属层，其顶部穿过绝缘层直达正面再布线金属层的下表面，其底部露出包封体，
所述包封体的下表面设置背面再布线金属层和背面塑封层，所述背面再布线金属层的一端设置焊球，其另一端与金属连接件的底部连接，所述金属连接件与背面再布线金属层为一体结构，所述背面塑封层覆盖背面再布线金属层、包封体与介电层的四壁并仅露出焊球的焊接面，其正面与介电层的上表面齐平，
还包括设置于介电层上的保护膜，所述保护膜由半固化树脂层后固化而成，其内含有雾化颗粒，雾度4~5%，透过率95~97%，其与介电层、背面塑封层的正面键合连接，所述保护膜减薄至20微米+/-2微米。
本发明所述保护膜的外侧设置一层耐磨聚氨酯形成耐磨层，其硬度为2H或3H。
有益效果
本发明一种超薄指纹识别芯片的封装方法获得了保护膜与超薄指纹识别芯片、基板框架、塑封料之间的可靠的结合力，解决了产品外观不良，提高了产品良率；同时保护膜在整个封装过程中承载封装结构的封装方法，使整个封装流程简洁；减薄后的保护膜, 实现了指纹识别芯片的超薄封装结构，与耐磨层的结合，加强了其封装结构的可靠性和耐磨性。
附图说明
图1是现有指纹识别芯片的封装外观不良图；
图2为本发明一种超薄指纹识别芯片的封装方法的工艺流程图；
图3为一种超薄指纹识别芯片的封装结构的实施例的示意图；
图4A为图3的金属连接物与芯片电极、感应元件区域的位置关系的正视的示意图；
图4B为图3的金属连接物与背面再布线金属层的位置关系的仰视的示意图；
图5为本发明一种超薄指纹识别芯片的封装方法的示意图；
图6是本发明一种超薄指纹识别芯片的封装结构的外观效果图；
其中，
指纹识别传感器芯片1
芯片本体10
指纹感应识别区域12
芯片电极14
绝缘层31
介电层35
包封体4
金属连接件5
正面再布线金属层6
背面再布线金属层7
焊球71
再布线金属连线72
背面塑封层78
基板框架8
保护膜9
半固化树脂层91
离型膜92
离型膜基层921
离型膜胶层922
耐磨层93。
具体实施方式
为了详细阐述本发明的精神实质，帮助本领域技术人员切实、全面的理解本发明的完整技术方案，下面将结合实施例和附图对本发明的技术方案进行详细说明：
本发明所采用的技术方案为：一种超薄指纹识别芯片的封装方法，其工艺流程图如2图所示，具体如下：
S1：晶圆及基板框架进行等离子体清洗；
S2：离型膜上涂布半固化树脂层，再与基板框架的背面贴合；
S3：使用芯片贴装机将芯片倒装至基板框架的正面；
S4：使用模压成型工艺（C-mold）塑封芯片及其焊球和基板框架；
S5：塑封产品后固化（PMC），半固化树脂层形成保护膜；
S6: 塑封产品的塑封层打磨减薄工艺；
S7: 分离离型膜工艺；
S8: 将剥离离型膜的保护膜进行减薄和研磨工艺；
S9: 保护膜表面涂布耐磨层；
S10:激光切割成型。
实施例
本发明一种超薄指纹识别芯片的封装结构，其指纹识别传感器芯片1呈长方形，其剖面示意图如图3所示，指纹识别传感器芯片1的芯片本体10的正面设有指纹感应识别区域12和若干个芯片电极14，芯片电极14设置于指纹感应识别区域12的一侧，以使指纹感应识别区域12的有效探测面积尽可能的大，图中以设置于指纹感应识别区域12一侧的6个芯片电极14示意，感应元件设置于指纹感应识别区域12内，其电路与芯片电极14的电路设置于指纹识别传感器芯片1的内部。
包封材料包封指纹识别传感器芯片1和金属连接件5，包封材料的材质目前以环氧树脂、酚醛树脂、有机硅树脂和不饱和聚酯树脂最为常用。包封材料包封、固化完成后，呈固状的包封体4，可以起到防水、防潮、防震、防尘、散热、绝缘等作用。同时通常为了减小包封材料本身的热膨胀系数问题，提升结构的热机械可靠性，在包封材料内还添加有氧化硅、氮化硅等填充料。
包封体4的上表面露出指纹识别传感器芯片1的正面。指纹识别传感器芯片1的正面和包封体4的上表面覆盖图案化的绝缘层31，且于芯片电极14处开设绝缘层开口311。绝缘层31的材质为氧化硅、氮化硅等。绝缘层31的上表面选择性地设置正面再布线金属层6，正面再布线金属层6分布于该指纹感应识别区域12的正面的垂直区域之外的芯片电极14的一侧，并通过绝缘层开口311与芯片电极14连接，正面再布线金属层6一般采用导电性能良好的铜Cu、铁Fe、镍Ni等材质。其具体层数可按照产品要求设置为一层或多层，通常的，正面再布线金属层6为高密度布线层，即线宽/线距在5um以下。所述指纹识别传感器芯片1的正面涂布介电层Ⅰ35，所述介电层Ⅰ35覆盖正面再布线金属层6和绝缘层31。
金属连接件5设置于指纹识别传感器芯片1的旁侧，以金属连接件5设置于指纹识别传感器芯片1的芯片电极14的同侧为佳。金属连接件5呈实心或空心柱状，其材质为铜Cu、镍Ni、钒V、钛Ti、钯Pd、金Au、银Ag等。或者，金属连接件5为再布线金属层，且与背面再布线金属层7为一体结构。金属连接件5的顶部穿过绝缘层31直达正面再布线金属层6的下表面，与正面再布线金属层6实现连接。金属连接件5的个数与芯片电极14的个数无绝对对应关系，根据实际需要设计。图4A中为清楚地说明金属连接件5与芯片电极14的连接关系，以金属连接件5的个数与芯片电极14的个数一一对应示意。金属连接件5的底部露出包封体4。
包封体4的下表面设置背面再布线金属层7。背面再布线金属层7一般采用导电性能良好的铜Cu、铁Fe、镍Ni等金属制作。其具体层数可按照产品要求设置为一层或多层，通常的，背面再布线金属层7为高密度布线层，即线宽/线距在5um以下，以提高电学的可靠性。背面再布线金属层7的一端设置焊球71，其另一端与金属连接件5的底部连接。相当于将指纹识别传感器芯片1的正面的芯片电极引至指纹识别传感器芯片1的背面与基板导通。因此，与指纹识别传感器封装结构的现有技术相比，本发明的该方案同样减小了指纹识别传感器需要的垂直空间量，以便于指纹识别传感器设计在更靠近用户手指的位置，有效地提升了指纹识别传感器接触的灵敏性。
上述指纹识别传感器芯片1的正面涂布介电层35，介电层35的介电常数为4.5~6，以减小电路结构的寄生电阻、电容和电感，同时保证线路具有良好的绝缘性能。
介电层35上设置半固化树脂层91，半固化树脂为具有粘性的PSA、siliconeadhesive（硅酮胶）等，其厚度5微米~18微米。其在加热加压下会软化，具有粘性，冷却后会反应固化，形成保护膜9。保护膜9内含有雾化颗粒，雾度4~5%，透过率95~97%，光在其内均匀漫反射，可以遮蔽整个超薄指纹识别芯片的封装结构存在的凹凸点、die mark等瑕疵。该保护膜9与介电层35、背面塑封层78的正面键合连接，提高了产品的封装良率。
为加强封装产品的抗磨性，固化后的保护膜9外侧设置薄薄的一层耐磨聚氨酯形成耐磨层93，其硬度在2H或3H，可以进一步防止膜面被划伤。
保护膜9的厚度减薄至20微米+/-2微米，一方面获得超薄的封装厚度，另一方面可以去掉保护膜9表面的瑕疵，同时，提高指纹芯片的灵敏度快速响应的速度。
所述背面塑封层78覆盖背面再布线金属层7、包封体4与介电层35的四壁并仅露出焊球71，其正面与介电层35的上表面齐平。经背面打磨后，焊球71露出其焊接面，以备使用时与PCB板或基板连接。背面塑封层78的材料通常包括氧化硅、氮化硅或树脂类介电材料。对应不同的基板，焊球71的位置可以灵活设置，其形状也可灵活设计，一般地，焊球71呈阵列状排列，且越大越好，一方面便于连接，另一方面，也是封装结构的散热通道之一。根据不同的焊球71布局，如图4B所示，焊球71以3*2的阵列排布示意，再布线金属层7以最便捷的布线方案实现焊球71与金属连接件5的电气连接，以节约生产成本。
上述屏下超薄指纹识别封装结构的封装厚度300um以下，该封装结构完全顺应了这一发展趋势。
参见图5，本发明上述超薄指纹识别芯片的封装结构的封装方法如下：
步骤一、晶圆及基板框架采用氩气（Ar）和氢气（H2）作为清洗气体进行等离子体清洗。
晶圆上是复数颗完成封装工艺的超薄指纹识别芯片单元，芯片单元的正面涂布介电层35，介电层35的介电常数为4.5~6，芯片单元的背面设置有焊球71。为了去除晶圆和基板框架表面的污染物，提高芯片和基板框架与塑封料的结合力，保证指纹类产品在sensor面（指纹感应识别区域12）的按压可靠性，需将晶圆和基板框架都需要放入等离子清洗机内进行等离子清洗，其采用氩气（Ar）和氢气（H2）作为清洗气体。等离子清洗是利用氩气与氢气形成等离子状态对引线框架表面进行轰击，去除表面污染物，同时利用氢离子的还原性，去除其氧化物，达到清洁目的。这种清洗方法属于环保的绿色清洗方法。经等离子清洗之后是干燥的，不需要再经干燥处理即可送往下一道工序。
等离子体清洗关键参数：<1> 清洗气体：氩气（Ar）和氢气（H2）， <2> 清洗功率：300~500瓦， <3> 清洗时间：300~500秒。一般地，选择清洗功率为480瓦时，清洗时间以360秒为宜。
步骤二、离型膜92上涂布半固化树脂层91，再与基板框架8的背面贴合。
为加强半固化树脂层91与基板框架的背面的贴合力，基板框架8的背面进行了粗糙化工艺的处理。
半固化树脂层91为具有粘性的PSA、silicone adhesive（硅酮胶）等，其厚度60微米~200微米。其在加热加压下会软化，具有粘性，冷却后会反应固化。其半固化树脂中含有雾化颗粒。由于半固化树脂层91较厚，可以获得与基板框架8以及塑封料、介电层35之间可靠的结合力，提高了产品的封装良率。
离型膜92有两层，包括离型膜基层921和胶层922。离型膜基层921的材质为PET，离型膜92的胶层922与半固化树脂层91贴合，如图5所示，其厚度35微米~60微米，具有非常好的抗冲击性和抗撕裂性。
由于贴合工艺的特殊要求，需要用到真空压膜机台，离型膜92先固定于真空压膜机台，半固化树脂层91涂布于离型膜92上，基板框架8的背面再与半固化树脂层91贴合。
真空压膜机台关键参数：<1> 抽真空时间：10s~60s ，<2> 真空压合时间：10s~60s， <3> 真空压合压力：1kg/cm2~5kg/cm2。一般地，选择抽真空时间50s，真空压合时间30s，压力2kg/cm2。
离型膜92与基板框架8均是为了支撑指纹识别芯片及塑封工艺的成型。
步骤三、使用芯片贴装机将芯片倒装至基板框架的正面。
此步骤使用芯片贴装机将步骤一中完成封装工艺的超薄指纹识别芯片单元从晶圆取出倒装至步骤二的贴合好基板框架8的正面的待贴芯片处，超薄指纹识别芯片单元的介电层35直接与半固化树脂层91贴合。
芯片贴膜参数：<1> 芯片贴合时间（bond time）：200~800毫秒， <2> 芯片贴合力（bond force）：5~30牛顿 ，<3> 芯片位置（die placement）：+/-30微米。在芯片贴合力为20牛顿时，芯片贴合时间仅需400毫秒。
步骤四、使用模压成型工艺（C-mold）塑封上述超薄指纹识别芯片单元及其焊球和基板框架，形成塑封层。
模压成型工艺参数：<1> 塑封料：EMC ，<2> 塑封温度：160~180oC ，<3> 塑封压力：6~16吨 ，<4> 固化时间：100~150秒， <5> 产品塑封厚度：大于产品设计厚度 ，<6> 产品塑封厚度误差控制：+/-15微米。若产品塑封厚度为450微米，则塑封温度为175oC，塑封压力：6吨，固化时间：100秒。
步骤五、塑封产品后固化（PMC）。
产品在塑封成形完成后塑封料还需进一步固化，半固化树脂层91形成保护膜9，其与介电层35、步骤四形成的塑封层的正面键合连接，保证了产品的可靠性，并释放产品内部应力。保护膜9中含有雾化颗粒，其雾度4~5%，透过率95~97%，光在其内均匀漫反射，可以遮蔽整个超薄指纹识别芯片的封装结构存在的凹凸点、die mark等瑕疵。
产品后固化参数：<1> 后固化温度：170~180oC<2> 后固化时间：2~8小时。一般地，后固化温度为175oC，后固化时间需要5小时。
步骤六、塑封产品的塑封层打磨减薄工艺。
打磨减薄工艺参数：<1> 磨轮转速：800~3000RPM <2> 打磨厚度误差控制：+/-10微米。
此工艺是为了将产品的塑封层通过打磨工艺使产品整体厚度达到产品设计要求，形成背面塑封层78，同时将焊球71打磨，形成焊球的焊接面，以便于PCB(印刷线路板) 焊接，如图5所示。上述超薄指纹识别芯片的封装结构的塑封层的打磨目标厚度为270微米，可以选择磨轮转速：2000RPM。
步骤七、分离离型膜92工艺。
经180℃、4小时烘烤后，通过解键合工艺，打开离型膜92与保护膜9之间的键合，将封装产品吸附在真空平台上，使用镊子揭开离型膜92一角，再轻轻沿着边角手动匀速揭除离型膜92。也可以采用全自动揭膜机将离型膜92揭离。
因保护膜9与塑封料和介电层35之间均是化学键链接，保证了其可靠性不被破坏。
步骤八、塑封产品的保护膜9打磨减薄和研磨工艺，形成研磨面。
将保护膜9的厚度需要进一步减薄至20微米+/-2微米，并经研磨工艺，形成研磨面，研磨面的表面粗糙度Ra：0.2~0.5微米，一方面获得超薄的封装厚度，另一方面可以去掉保护膜9表面的瑕疵，达到指纹芯片的灵敏度快速响应的速度。
步骤九、在研磨面涂布耐磨聚氨酯形成耐磨层93。
为加强抗磨性，保护膜9的外侧涂布薄薄的一层耐磨聚氨酯形成耐磨层93，一般地，其厚度在5微米左右，其硬度在2H或3H，可以防止保护膜9被划伤。
步骤十、激光切割成型。
通过激光沿切割线切割，将产品切成所需形状的单颗封装体，如图3、图4A、图4B所示，基板框架8被切除。
上述一种超薄指纹识别芯片的封装结构的封装方法，可以获得保护膜9与产品的塑封层之间可靠的结合力，解决了产品外观不良，提高了产品的封装良率。如图6所示，在超薄指纹识别芯片的封装结构的表面观察其外观，没有Dent（凹凸点），也没有Die Mark（芯片印记）。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步地详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种超薄指纹识别芯片的封装方法，其工艺流程如下：
步骤一：晶圆及基板框架采用氩气和氢气作为清洗气体进行等离子体清洗，所述晶圆上为复数颗完成封装工艺的超薄指纹识别芯片单元，其正面设置有介电层，其背面设置有焊球；
步骤二：离型膜上涂布半固化树脂层，再与步骤一中完成清洗的基板框架的背面贴合；
步骤三：使用芯片贴装机将步骤一的超薄指纹识别芯片单元倒装至完成步骤二的基板框架的正面的待贴芯片处；
步骤四：使用模压成型工艺塑封步骤三中的超薄指纹识别芯片单元和基板框架，形成塑封产品；
步骤五：将步骤四的塑封产品进行后固化工艺，形成塑封层，半固化树脂层形成保护膜；
步骤六： 将步骤五完成固化的塑封产品的塑封层进行打磨减薄工艺，露出焊球的焊接面；
步骤七： 采用解键合工艺分离离型膜；
步骤八： 将剥离离型膜的保护膜进行减薄和研磨工艺，形成研磨面；
步骤九： 保护膜的研磨面表面涂布耐磨层；
步骤十：激光切割形成单颗封装体，同时去除基板框架。
2.如权利要求1所述的超薄指纹识别芯片的封装方法，其特征在于：步骤二中，所述半固化树脂层为PSA或silicone adhesive（硅酮胶），其内含有雾化颗粒，雾度4~5%，透过率95~97%。
3.如权利要求2所述的超薄指纹识别芯片的封装方法，其特征在于：所述半固化树脂层的厚度60微米~200微米。
4.如权利要求1所述的超薄指纹识别芯片的封装方法，其特征在于：步骤二中，所述离型膜包括离型膜基层921和胶层922。
5.如权利要求1所述的超薄指纹识别芯片的封装方法，其特征在于：步骤四中，所述塑封产品的塑封厚度大于产品设计厚度，且其塑封厚度误差控制：+/-15微米。
6.如权利要求1所述的超薄指纹识别芯片的封装方法，其特征在于：步骤八中，所述保护膜厚度减薄至20微米+/-2微米。
7.如权利要求1所述的超薄指纹识别芯片的封装方法，其特征在于：步骤八中，所述研磨面的表面粗糙度Ra：0.2~0.5微米。
8.如权利要求1所述的超薄指纹识别芯片的封装方法，其特征在于：步骤八中，在分离离型膜之前，需要将步骤六中的塑封产品进行180℃、4小时烘烤。
9.如权利要求1所述的超薄指纹识别芯片的封装方法，其特征在于：步骤九中，所述单颗封装体其包括指纹识别传感器芯片和包封体，所述指纹识别传感器芯片的正面设有指纹感应识别区域和若干个芯片电极，所述芯片电极设置于指纹感应识别区域的一侧，所述包封体包封所述指纹识别传感器芯片和金属连接件，其上表面露出指纹识别传感器芯片的正面，所述指纹识别传感器芯片的正面和包封体的上表面覆盖图案化的绝缘层，且于所述芯片电极处开设绝缘层开口，所述绝缘层的上表面选择性地设置正面再布线金属层，所述正面再布线金属层分布于所述指纹感应识别区域的正面的垂直区域之外的芯片电极的一侧，并通过绝缘层开口与芯片电极连接，所述指纹识别传感器芯片的正面涂布介电层，所述介电层覆盖正面再布线金属层和绝缘层，所述金属连接件设置于指纹识别传感器芯片的一侧且就近设置于芯片电极旁，且与芯片电极的个数一一对应，所述金属连接件为再布线金属层，其顶部穿过绝缘层直达正面再布线金属层的下表面，其底部露出包封体，
所述包封体的下表面设置背面再布线金属层和背面塑封层，所述背面再布线金属层的一端设置焊球，其另一端与金属连接件的底部连接，所述金属连接件与背面再布线金属层为一体结构，所述背面塑封层覆盖背面再布线金属层、包封体与介电层的四壁并仅露出焊球的焊接面，其正面与介电层的上表面齐平，
还包括设置于介电层上的保护膜，所述保护膜由半固化树脂层后固化而成，其内含有雾化颗粒，雾度4~5%，透过率95~97%，其与介电层、背面塑封层的正面键合连接，所述保护膜减薄至20微米+/-2微米。
10.如权利要求1所述的超薄指纹识别芯片的封装方法，其特征在于：所述保护膜的外侧设置一层耐磨聚氨酯形成耐磨层，其硬度为2H或3H。
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