DE60303037T2 - Verfahren zur herstellung eines digitalen fingerabdrucksensors und entsprechender sensor - Google Patents

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Description

  • Die Erfindung betrifft Fingerabdrucksensoren, und genauer ein Herstellungsverfahren, das die Herstellungskosten minimiert und die Verwendung des Sensors sowie den Schutz des Sensors vor äußeren Angriffen vereinfacht.
  • Ein Fingerabdrucksensor wird ausgehend von einer gedruckten Schaltung hergestellt, im Prinzip auf der Basis von Silicium, die insbesondere eine Matrix von empfindlichen Punkten aufweist, die es ermöglichen, eine Darstellung des Abdrucks eines Fingers herzustellen, der direkt auf die Oberfläche der Matrix aufgelegt wird. Die Erfassung des Abdrucks kann optisch oder kapazitiv oder thermisch oder piezoelektrisch sein.
  • Manche Sensoren arbeiten in Gegenwart eines Fingers, der statisch auf der Oberfläche eines Sensors angeordnet ist, dessen rechteckige oder quadratische aktive Erfassungsmatrix eine Oberfläche hat, die der zu erfassenden Abdruckfläche entspricht; andere Sensoren arbeiten durch Gleiten des Fingers über einen Sensor, dessen Erfassungsmatrix, die eine wesentlich kleinere Oberfläche hat als der zu erfassende Abdruck, eine dünne längliche Leiste ist.
  • In beiden Fällen, aber insbesondere im Fall eines Betriebs durch Gleiten des Fingers, muss die gedruckte Schaltung durch abnutzungsfeste Schichten geschützt werden. Diese Schichten hängen vom Typ des Sensors ab (wenn es sich zum Beispiel um einen optischen Sensor handelt, ist es offensichtlich, dass die möglichen Schutzschichten von transparenten Schichten geschützt werden müssten). Es wurden Schutzlacke oder auch mineralische Beschichtungen, wie zum Beispiel Beschichtungen mit Siliciumoxid, vorgeschlagen. Andererseits muss der IC-Chip, der den Kern des Sensors bildet, elektrisch nach außen verbunden sein (insbesondere mit Versorgungsquellen, Steuerschaltungen und Schaltungen zur Auswertung der elektrischen Signale, die den Fingerabdruck darstellen). Da der Finger auf die empfindliche Fläche des Sensors aufgelegt werden (oder auf ihr gleiten) muss, muss diese Fläche zugänglich bleiben. Daher verwendet man für diese Sensoren eine traditionelle Lösung der elektrischen Verbindung durch verschweißte biegsame Drähte, die Kontaktstellen der Vorderseite (aktive Seite) des IC-Chips mit Kontaktstellen verbinden, die sich auf einer Fläche befinden, auf die der Chip aufgebracht ist. Bei andern IC-Anwendungen als Sensoren (zum Beispiel Mikroprozessoren, Speicher, usw.) sind diese Drähte traditionell durch eine dicke Schutzschicht geschützt, die aufgebracht oder aufgeformt wird und den Chip und seine Drähte umschließt.
  • Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Herstellung eines Fingerabdrucksensors vorgeschlagen, bei dem die folgenden Schritte ausgeführt werden: Herstellen eines Sensorchips, Aufbringen dieses Chips auf ein Substrat, Verbinden des Chips mit dem Substrat über verschweißte Drähte, Anordnen der Einheit aus Chip und Substrat in einem Formwerkzeug, Gießen eines Schutzharzes, das den Chip und das Substrat zumindest teilweise bedeckt und die Drähte vollständig umschließt, in das Formwerkzeug, wobei das Formwerkzeug eine solche Form hat, dass ein Harzbuckel, der um mindestens 500 Mikrometer über einer empfindlichen Fläche des Chips hochsteht, auf mindestens einer Seite des Chips geformt wird, wobei dieser Buckel die verschweißten Drähte schützt und eine Positionierführung für den Finger bildet, dessen Abdruck erfasst werden soll, damit der zu erfassende Abdruck vor eine empfindliche aktive Fläche des Chips kommt, wenn der Finger gegen den Buckel gleitet.
  • Vorzugsweise ist mindestens eine Seite des Chips mit keinem solchen Führungsbuckel versehen. Bei einer Erfassung durch Gleiten des Fingers auf einem Chip in Form einer länglichen Leiste lotrecht zur Gleitrichtung des Fingers weisen zwei Seiten des Chips keinen solchen Führungsbuckel auf; ein Buckel ist entweder nur auf einer Seite des Chips oder auf zwei entgegengesetzten Seiten (die sich in Längsrichtung der Leiste gegenüber liegen), aber nicht auf den beiden anderen Seiten vorgesehen.
  • Bei einem Fingerabdrucksensor vom kapazitiven Typ ist das Formwerkzeug so ausgebildet, dass die empfindliche Fläche des Chips nicht mit Harz bedeckt ist, und die Buckel erheben sich direkt oberhalb der Oberfläche des Chips und lassen die empfindliche Fläche des Chips frei.
  • Bei einem Sensor vom thermischen oder piezoelektrischen Typ wird aber vorzugsweise vorgesehen, die empfindliche Fläche mit einer dünnen geformten Harzschicht zu bedecken, die diese Fläche schützt (vorzugsweise eine gleichmäßige Schicht mit einer Dicke von etwa 20 bis 60 Mikrometer); die Buckel erheben sich um einige Millimeter über diese dünne Harzschicht.
  • Der so verkapselte IC-Chip weist also schon bei seiner Herstellung ein Ergonomieelement (Führungselement für den Finger) auf, so dass dieser Chip direkt in Anwendungen installiert werden kann, ohne dass es notwendig wäre, die Umgebung dieser Anwendungen mit spezifischen Führungselementen zu planen. Um diesen Sensor in eine Computertastatur einzusetzen, ist es zum Beispiel nicht notwendig, das Gehäuse der Tastatur neu zu gestalten. Der Sensor kann auf einer ebenen Fläche dieser Tastatur installiert werden.
  • Das Substrat kann steif oder geschmeidig sein. Es weist frei liegende (nicht mit geformtem Harz bedeckte) elektrische Kontakte für die Verbindung des Sensors mit der Außenumgebung auf.
  • Vorzugsweise erfolgt die Verkapselung durch Harzüberformung bei mehreren Chips gleichzeitig, wobei die so verkapselten einzelnen Sensoren später voneinander getrennt werden.
  • Wenn eine dünne geformte Harzschicht die aktive Fläche des Sensors bedeckt, sieht man vorzugsweise vor, auf der Vorderseite des IC-Chips vor dem Einbringen des Chips in das Formwerkzeug Stege mit kalibrierter Höhe anzuordnen, gegen die der Boden des Formwerkzeugs sich anlegt, um die Harzdicke perfekt zu definieren, die die aktive Fläche des Sensors bedecken wird. Diese Stege sind vorzugsweise um diese ganze aktive Fläche herum angeordnet, um den Betrieb der Abdruckerfassung nicht zu behindern. Sie können aus Buckeln mit einigen zehn Mikrometer Höhe bestehen, die während der Herstellung des eigentlichen Chips geformt und folglich in den Chip integriert werden. Sie können auch aus Kugeln oder Zylindern mit kalibriertem Durchmesser bestehen, die an der Oberfläche des Chips in vorher mit Klebstoff bedeckten Zonen angeordnet werden.
  • Zusammenfassend führt die Erfindung zu einem Fingerabdrucksensor, der einen Sensorchip mit einer empfindlichen Fläche, ein mit elektrischen Verbindungen versehenes Substrat und verschweißte Drähte aufweist, die den Chip mit den elektrischen Verbindungen verbinden, dadurch gekennzeichnet, dass er ein geformtes Schutzharz aufweist, das zumindest zum Teil das Substrat und den Chip bedeckt und die verschweißten Drähte vollständig umschließt, und dass das Harz auf mindestens einer Seite des Chips und höchstens auf drei Seiten einen Buckel bildet, der sich um mindestens 500 Mikrometer über der empfindlichen Fläche erhebt, wobei dieser Buckel die verschweißten Drähte umschließt und eine Führung für einen Finger bildet, dessen Abdruck erfasst werden soll. Bei einem Sensor, der ausgelegt ist, um beim Gleiten eines Fingers lotrecht zur Ausdehnungsrichtung des Chips einen Abdruck zu erfassen, wobei dieser Chip die Form einer Leiste hat, wird ein Harzbuckel auf höchstens zwei Seiten des Chips vorgesehen, wobei diese Seiten die kleinen Seiten sind.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung hervor, die sich auf die beiliegenden Zeichnungen bezieht. Es zeigen:
  • 1 den Abdrucksensor vor der Verkapselung;
  • 2 das Prinzip der Verkapselung des Sensors im Schnitt;
  • 3 den verkapselten Sensor in Perspektive;
  • 4 eine Ausführungsvariante des Sensors in Perspektive, von oben und von unten gesehen;
  • 5 im Schnitt eine Ausführungsform mit Verkleidung der aktiven Schicht des Sensors durch eine dünne Schicht aus geformtem Harz.
  • In 1 ist ein Beispiel eines Fingerabdrucksensors gezeigt, der ausgehend von einem IC-Chip 10 in Form einer länglichen Leiste (Länge sehr viel größer als die Breite) hergestellt ist, auf der man einen Finger gleiten lassen muss, um nacheinander Fingerbildabschnitte zu erfassen, während der Finger auf der Oberfläche des Chips gleitet. Das Gleiten des Fingers erfolgt lotrecht oder in etwa lotrecht zur Länge der Leiste. Der Chip weist eine Matrix von einigen Reihen (zum Beispiel 5 bis 10 Reihen) vieler Elementardetektoren (zum Beispiel etwa hundert bis einige hundert Elementardetektoren pro Reihe) auf, und jedes Bild enthält also einige Reihen von vielen Punkten. Durch Korrelation der nacheinander während des Verschiebens des Fingers erhaltenen Teilbilder wird ein globales Bild des Fingerabdrucks wieder hergestellt, der über die Oberfläche des Sensors gegangen ist. Der Sensor kann thermisch sein (Messungen der Wärmeaustauschunterschiede zwischen dem Finger und einem Detektor, je nachdem, ob sich eine Spitze oder eine Vertiefung des Fingerabdrucks vor einem Elementardetektor befindet). Er kann auch piezoelektrisch (Unterschied des Drucks, der je nach dem Vorhandensein einer Spitze oder einer Vertiefung ausgeübt wird) oder kapazitiv sein (Kapazitätsunterschied je nach dem Vorhandensein einer Spitze oder einer Vertiefung); schließlich kann er auch optisch sein (Differenz der reflektierten Lichtstärke).
  • Im dargestellten Beispiel weist der längliche Chip 10 eine aktive empfindliche Zone 12 auf, die dem Einfluss des Reliefs des Fingerabdrucks ausgesetzt ist und hauptsächlich aus einer Matrix von mehreren Reihen von Elementardetektoren und einer Umfangszone besteht, die einerseits der Matrix zugeordnete Schaltungen (Versorgung, Steuerung, Empfang von von der Matrix gelieferten Signalen) und andererseits leitende Kontaktstellen 14 aufweist, die zur Verbindung des Chips mit der Außenumgebung dienen.
  • Der Chip wird in üblicher Weise auf ein Substrat 20 aufgebracht, das selbst entsprechende leitende Kontaktstellen 22, mit diesen Stellen 22 verbundene elektrische Verbindungen 24 und Kontaktbereiche oder Stifte 26 aufweist, die für die Verbindung der Einheit aus Chip und Substrat mit außerhalb des eigentlichen Sensors liegenden Elementen bestimmt sind (zum Beispiel, um mit einem Computer zu kommunizieren, zu dem man die elektrischen Signale, die es ermöglichen, das Bild des erfassten Abdrucks wiederherzustellen, zur Verarbeitung und zur Verwendung übertragen möchte).
  • Der Chip wird mit seiner inaktiven Rückseite auf dieses Substrat 20 aufgebracht, während die empfindliche Vorderseite für den Finger zugänglich bleibt. Der _ üblichste Verbindungsmodus, d.h. über verschweißte Drähte (englisch "wire-bonding"), wird vorzugsweise verwendet, um die Kontaktstellen 14 des Chips mit den Kontaktstellen 22 des Substrats zu verbinden. Die verschweißten Drähte sind in 1 mit 28 bezeichnet.
  • Der Vorgang des Verkapselns nach dem Aufbringen des Chips 10 auf das Substrat 20 besteht darin, die Einheit aus IC-Chip und Substrat in ein Formwerkzeug einzusetzen, das es ermöglicht, ein Schutzharz für die zerbrechlichen Teile der Einheit zu injizieren. Zu diesen zerbrechlichen Teilen gehören natürlich die verschweißten Drähte 28. Das Harz ist flüssig und wird im Formwerkzeug polymerisiert, um sich zu verfestigen. Es handelt sich üblicherweise um ein Zweikomponentenharz.
  • Die Form des Formwerkzeugs ist ausgelegt, damit das verfestigte Harz einen oder mehrere relativ dicke Buckel (in der Praxis liegt die Dicke über dem, was unbedingt für den einfachen Schutz des Chips und seiner verschweißten Drähte 28 notwendig ist) über der empfindlichen Fläche des Chips auf mindestens einer Seite des Chips bildet. Die Dicke der Buckel beträgt vorzugsweise etwa einen Millimeter, aber nicht mehr, oberhalb der Fläche, auf der der Finger bei der Benutzung ruhen wird. Das heißt, dass, wenn die Oberfläche des Chips frei von Harz bleibt, die Buckel um etwa einen Millimeter über der Oberfläche des Chips vorstehen, aber dass, wenn die Oberfläche des aktiven Bereichs des Chips selbst mit einer dünnen Harzschicht bedeckt ist, auf die der Finger aufgelegt wird, die Buckel um einen Millimeter über diese Schicht vorstehen.
  • 2 stellt im Schnitt den Chip 10 und sein Substrat 20 dar, wie sie im Harz verkapselt sind, das zwei Buckel aufweist, einen auf jeder Seite des länglichen Chips, auf den kleinen Seiten. In diesem Beispiel sind alle verschweißten Drähte 28, die zur Verbindung des Chips mit dem Substrat dienen, auf der gleichen kleinen Seite des länglichen Chips angeordnet. Ein Harzbuckel 30 bedeckt und schützt sie. Dieser Buckel stellt das Hauptpositionierungs- und Führungselement des Fingers bei seiner Gleitbewegung quer zur Längsrichtung der Leiste dar. Ein zweiter fakultativer Buckel 32 kann durch Formen auf der anderen kleinen Seite der Leiste gebildet werden. Der Finger 40 wird dann zwischen den beiden Buckeln angeordnet. Die empfindliche Oberseite des Chips 10 ist in dieser Ausführungsform der 2 nicht mit Harz bedeckt.
  • Bei einem Sensor, auf dem der Finger gleitet, sieht man maximal zwei Buckel vor. Bei einem Sensor, auf dem der Finger statisch bleibt, mit einem quadratischen oder rechtwinkligen, aber nicht leistenförmigen Chip, kann man bis zu drei Buckel vorsehen, die es ermöglichen, drei Seiten der aktiven Fläche zu begrenzen, wobei der Finger auf zwei oder drei dieser Buckel aufliegen kann.
  • Die Kontaktbereiche 26 zur Verbindung nach außen sind nicht vom Formharz bedeckt. Im in den 1 und 2 dargestellten Beispiel befinden diese Bereiche sich auf der Oberfläche des Substrats 20. Die Kontaktstellen 22 des Substrats, die Verbindungen 24 und die Bereiche 26 sind aus einer Metallfolie hergestellt, die die Oberfläche des Substrats bedeckt, das aus Kunststoffmaterial oder aus Keramikmaterial ist. Die Bereiche 26 befinden sich auf der Oberseite des Substrats (der Seite, auf die der Chip aufgebracht ist). Es ist aber auch möglich, andere Verbindungsarten zu verwenden, und insbesondere die Verbindungen mittels leitenden Lamellen, die unter der englischen Bezeichnung "Beam-Lead" bekannt sind. Es handelt sich um ein steifes leitendes Gitter, das selbst sowohl das Substrat, auf das der Chip aufgebracht ist, als auch die Kontaktstellen 22, die Verbindungen 24 und die leitenden Bereiche 26 bildet. In diesem Fall versteht sich, das die leitenden Bereiche 26 eher von der Rückseite des Substrats als von der Vorderseite her zugänglich sein können. In noch anderen Ausführungsformen können die Verbindungsbereiche 26 über die Rückseite des Substrats zugänglich sein. Dies ist zum Beispiel der Fall, wenn das Substrat ein Vielschichtsubstrat ist, das Verbindungsleiter sowohl auf seiner Vorderseite als auch auf seiner Rückseite aufweist, mit leitenden Lücken zwischen den beiden.
  • 3 zeigt in Perspektive ein Ausführungsbeispiel, bei dem die leitenden Bereiche 26 in Form eines Steckverbinders hergestellt sind. Zur Verbindung des Substrats mit der Außenumgebung kann ein komplementärer Verbinder auf die Bereiche 26 gesteckt oder gegen diese Bereiche angelegt werden, je nach deren Konfiguration.
  • 4 zeigt in Perspektive ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem die Verbindungsbereiche 26 des Substrats sich unter dem Substrat befinden, wobei letzteres aus einer vielschichtigen Struktur besteht. In 4 sind Buckel 30 und 32 von anderer Form als derjenigen der 3 dargestellt, die aber die gleichen Funktionen des Schutzes der verschweißten Drähte und der Führung des Fingers ausüben.
  • In 5, in der auch Verbindungsbereiche 26 unterhalb des Substrats 20 vorgesehen sind, ist im Schnitt eine andere Ausführungsform dargestellt, bei der das Harz 36 in einer dünnen Schicht von einigen zehn Mikrometern Dicke die aktive Fläche des Chips zwischen den Buckeln 30 und 32 bedeckt. Um diese schmale Dicke zu definieren, sieht man vorzugsweise Stege 38 an der Oberfläche des Chips vor, wobei diese Stege die gewünschte Dicke haben. Der Boden des Formwerkzeugs drückt gegen die Stege, und das flüssige Harz kann in den verbleibenden Zwischenraum sowie zwischen die Vorderseite des Chips und den Boden des Formwerkzeugs injiziert werden. Diese Ausführungsform ist im Fall eines thermischen Sensors vorteilhaft, dessen Chip-Oberfläche in der Praxis nicht mit einer Passivierungsschicht aus Siliciumoxid bedeckt werden kann, wie es zum Beispiel bei einem optischen Sensor der Fall wäre. Die Stege 38 können auf verschiedene Weise hergestellt werden. Sie sind nicht direkt in der aktiven Zone des Sensors angeordnet, sondern in einer Umfangszone der Vorderseite des Chips. In einem Beispiel bestehen sie aus Kugeln oder Glaszylindern mit kalibriertem Durchmesser, die auf vorher auf den Umfang der aktiven Zone aufgebrachte Klebstoffpunkte eingesetzt werden. Die Kugeln können aus Glas sein. Die Zylinder können Glasfaserfragmente mit einem Durchmesser von zwischen etwa zehn und einigen zehn Mikrometern sein. In einem anderen Beispiel sind die Stege in die Oberfläche des Chips integriert, zum Beispiel in Form von lokalisierten Metallbeschichtungen. Diese Beschichtungen können elektrolytisch geformt werden.
  • Die Herstellung der Sensoren erfolgt vorzugsweise durch Formen eines Satzes von mehreren Sensoren auf einem gemeinsamen Substrat. Die einzelnen Sensoren, die je einen Chip aufweisen und je mit ihren Buckeln und ihren Verbindungen versehen sind, werden nacheinander nach dem Formen getrennt. Ein Formen auf einem durchgehenden Band von Substraten, die aneinander befestigt sind, ist die bevorzugte Lösung. Je nach den Anwendungen kann man vorsehen, dass es mehrere Chips im gleichen Sensor gibt, die in einem Vorgang verkapselt werden. Das verwendete Harz kann ein transparentes Harz sein, insbesondere dann, wenn der Sensor ein optischer Sensor und die aktive Oberfläche mit Harz bedeckt ist.

Claims (8)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Fingerabdrucksensors, wobei der Sensor ausgelegt ist, um eine Abdruckerfassung durch Gleiten des Fingers auf der aktiven Fläche zu ermöglichen, und wobei die folgenden Schritte durchgeführt werden: Herstellen eines Sensorchips (10), wobei der Chip die Form einer länglichen Leiste mit zwei kleinen Seiten hat, Aufbringen dieses Chips auf ein Substrat (20), Verbinden des Chips (10) mit dem Substrat (20) über verschweißte Drähte (28), die auf einer kleinen Seite des Chips angeordnet sind, Anordnen der Einheit aus Chip und Substrat in einem Formwerkzeug, Gießen eines Schutzharzes, das das Substrat und den Chip zumindest teilweise bedeckt und die Drähte vollständig umschließt, in das Formwerkzeug, wobei das Formwerkzeug eine solche Form hat, dass ein Harzbuckel (30), der um mindestens 500 Mikrometer über einer empfindlichen Fläche des Chips hochsteht, auf mindestens einer Seite des Chips geformt wird, wobei dieser Buckel die verschweißten Drähte schützt und eine Positionierführung für den Finger bildet, dessen Abdruck erfasst werden soll, damit der zu erfassende Abdruck sich vor einer empfindlichen aktiven Fläche des Chips bewegt, wenn der Finger gegen den Buckel gleitet.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden kleinen Seiten des Chips mit einem Führungsbuckel versehen sind, wobei das Formwerkzeug so ausgebildet ist, dass die beiden anderen Seiten des Chips keinen Buckel aufweisen.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Formwerkzeug so ausgebildet ist, dass die aktive Fläche des Chips mit einer dünnen geformten Harzschicht (36) bedeckt wird, die diese Fläche schützt.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Einsetzen des Substrats in das Formwerkzeug auf die Vorderseite des IC-Chips Stege (38) mit kalibrierter Höhe angeordnet werden, gegen die der Boden des Formwerkzeugs sich anlegt, um die Harzdicke perfekt zu definieren, die die empfindliche Fläche des Sensors bedecken wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Stege über der empfindlichen Fläche des Chips zehn bis einige zehn Mikrometer beträgt.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Buckel weniger als ein Millimeter hoch ist.
  7. Fingerabdrucksensor, der einen Sensorchip in Form einer länglichen Leiste mit zwei kleinen Seiten und mit einer empfindlichen Fläche (12) und ein Substrat aufweist, das mit elektrischen Verbindungen (26) und den verschweißten Drähten (28) versehen ist, die eine kleine Seite des Chips mit den elektrischen Verbindungen verbinden, wobei die großen Seiten keine verschweißten Drähte aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass er ein geformtes Schutzharz aufweist, das zumindest zum Teil das Substrat und den Chip bedeckt und die verschweißten Drähte vollständig umschließt, und dass das Harz auf mindestens einer Seite des Chips und höchstens auf zwei Seiten einen Buckel bildet, der sich um mindestens 500 Mikrometer über der empfindlichen Fläche erhebt, wobei dieser Buckel die verschweißten Drähte umschließt und eine Führung für einen Finger bildet, dessen Abdruck beim Gleiten des Fingers über den Sensor lotrecht zur Ausdehnungsrichtung des Chips erfasst werden soll.
  8. Sensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Buckel über der empfindlichen Fläche weniger als einen Millimeter hoch ist.
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