JP6784342B2

JP6784342B2 - 電子デバイスおよびそれを搭載した指紋認証装置

Info

Publication number: JP6784342B2
Application number: JP2020517025A
Authority: JP
Inventors: 岩本　敬; 敬岩本; 剛史内田
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2018-05-01
Filing date: 2019-02-28
Publication date: 2020-11-11
Anticipated expiration: 2039-02-28
Also published as: WO2019211941A1; US10997389B2; US20210019490A1; CN111886623A; JPWO2019211941A1; CN111886623B

Description

本開示は、電子デバイスおよびそれを搭載した指紋認証装置に関し、より特定的には、指紋認証装置用のセンサ部分を構成する電子デバイスを低背化する技術に関する。

近年、セキュリティの強化のために、個人認証用の指紋認証装置が普及しつつある。このような指紋認証装置は、たとえば、建物の入口等に設けられる電子キー、銀行などのＡＴＭ（Automatic Telling Machine）、携帯電話やスマートフォンなどの携帯電子機器のような様々な用途で用いられている。

特表２０１７−５１１１６２号公報（特許文献１）には、指紋認証装置に用いられる電子機器が開示されている。特許文献１に開示されている電子機器には、指紋を感知するためのセンサ電極と、当該センサ電極に電気的に接続される集積回路と、集積回路の上部に位置しセンサ電極が設けられる第１回路基板と、第１回路基板と電気的に接続され上記集積回路の下部に位置する第２回路基板と、集積回路を保護するモールディング層と、第１および第２回路基板を電気的に接続する連結部とが備えられている。

特表２０１７−５１１１６２号公報

携帯電子機器の用途においては、機器の小型化および薄型化のニーズが高く、このような用途に指紋認証装置が搭載される場合には、指紋認証装置自体についても小型化および薄型化を行なうことが必要とされる。

しかしながら、特許文献１に開示された指紋認証装置用の電子機器においては、第２回路基板が集積回路の下部に配置される構成となっており、機器の低背化を図る場合、第２回路基板と集積回路とが干渉し得る。すなわち、特許文献１に開示された指紋認証装置用の電子機器の特徴的な構成が、機器の低背化に対して制限となり得る。

本開示は、上記の課題を解決するためになされたものであって、その目的は、指紋認証装置に用いられる電子デバイスの低背化を行なうことである。

本開示のある局面に従う電子デバイスは、内部に配線パターンが形成された第１基板と、第１基板の第１面に配置された第１電子機器と、第１基板の第１面とは反対の第２面に配置され配線パターンによって第１電子機器と電気的に接続された第２電子機器と、第１電子機器をモールドするモールド層と、外部端子が形成された第２基板と、モールド層内に配置され第１基板と第２基板とを電気的に接続する導電部とを備える。モールド層の端部には段差部が形成されており、段差部には導電部が露出している。第２基板は段差部に配置されている。第２基板と第１基板との間の厚み方向の距離は、第１基板の第１面と、第１電子機器における第１基板とは反対側の面との間の距離よりも短い。

本開示の他の局面に従う指紋認証装置は、上記の電子デバイスを搭載した指紋認証装置である。

本開示による電子デバイスによれば、モールド層の端部に形成された段差部に第２基板が配置されており、第１基板と第２基板との間の厚み方向の距離が、第１基板と第１電子機器における第１基板とは反対側の面との間の距離よりも短くなるように構成されている。このような構成によって、第２基板の全体がモールド層から突出することが抑制されるので、第２基板によって電子デバイスのトータルの厚みが厚くなることが抑制される。したがって、電子デバイスを低背化することが可能となる。

実施の形態に係る電子デバイスが組み込まれた指紋認証装置における、電子デバイス部分の断面図を示す図である。電子デバイスの平面図である。電子デバイスの製造プロセスの一例を示す図である。電子デバイスの段差部付近の断面を拡大した図である。変形例１の電子デバイスの断面図である。変形例２の電子デバイスの断面図である。変形例３の電子デバイスの断面図である。配線基板内の配線パターンの配置における課題を説明するための図である。配線基板内の配線パターンの配置の第１の例を示す図である。配線基板内の配線パターンの配置の第２の例を示す図である。配線基板内の配線パターンの配置の第３の例を示す図である。

以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

（電子デバイスの構成）
図１は、実施の形態に係る電子デバイス１００が組み込まれた指紋認証装置１０における、電子デバイス１００の部分の断面図を示す図である。指紋認証装置１０は、たとえば、スマートフォンなどの携帯電子機器の一部に設けられる。

図１を参照して、電子デバイス１００は、指紋検出用のセンサが形成されたセンサ基板１１０と、配線基板１２０と、センサ駆動用の集積回路１４１と、キャパシタ１４２と、導電部１５０と、モールド層１３０と、端子基板１６０とを備える。電子デバイス１００は、携帯電子機器の筐体２０からセンサ基板１１０が露出するように取付けられる。

センサ基板１１０には、たとえば超音波センサが形成されており、センサ基板１１０の表面にユーザの指が載せられると、指紋の凹凸に応じた電気信号が生成される。センサ基板１１０で生成された電気信号は、配線基板１２０内に形成された配線パターン（図示せず）、導電部１５０、および端子基板１６０を通して他の機器に伝達される。

配線基板１２０の第１面１２１には、センサ駆動用の集積回路１４１およびノイズ除去用のキャパシタ１４２が配置される。センサ基板１１０は、配線基板１２０の第２面１２２に配置される。配線基板１２０は多層構造を有しており、内部に配線パターンが形成されている。集積回路１４１およびキャパシタ１４２は、配線基板１２０内に形成された配線パターンによって、センサ基板１１０と電気的に接続される。

モールド層１３０は、たとえば絶縁性の樹脂で形成されており、配線基板１２０の第１面１２１において集積回路１４１およびキャパシタ１４２をモールドする。モールド層１３０の端部には、樹脂が薄くされた段差部１７０が形成される。なお、モールド層１３０の厚みが厚い部分を「厚肉部１３１」と称し、段差部１７０が形成されたモールド層１３０の厚みが薄い部分を「薄肉部１３２」とも称する。薄肉部１３２は、モールド層１３０を貫通し、配線基板１２０に電気的に接続された導電部１５０が配置される。導電部１５０は、たとえば、銅，銀，金，アルミのような導電性金属で形成された柱状部材である。導電部１５０は、段差部１７０においてモールド層１３０から露出している。なお、以下の説明においては、集積回路１４１とキャパシタ１４２とを包括して「内蔵機器１４０」とも称する。

端子基板１６０は、センサ基板１１０で生成された電気信号を図示しない他の機器へ伝達するためのコネクタである。端子基板１６０は、好ましくは柔軟性を有する材料で形成されたフレキシブル基板である。端子基板１６０の誘電体は、たとえば、エポキシ、ポリイミドなどの樹脂で形成される。あるいは端子基板１６０の誘電体は、より低い誘電率を有する液晶ポリマー（Liquid Crystal Polymer：ＬＣＰ）あるいはフッ素系樹脂を用いて形成されてもよい。なお、端子基板１６０は、たとえば熱可塑性を有するリジッド基板で形成されてもよい。

端子基板１６０は、一方の表面に露出した端子１６１と、他方の表面に露出した外部端子１６３と、基板内部に形成され、端子１６１と外部端子１６３とを電気的に接続する配線パターン１６２とを含む。端子基板１６０は、モールド層１３０の段差部１７０に配置され、端子１６１が導電部１５０と電気的に接続される。

段差部１７０が形成されている薄肉部１３２の厚みＨ２（すなわち、配線基板１２０と端子基板１６０との間の厚み方向の距離）は、配線基板１２０の第１面１２１と内蔵機器１４０における配線基板１２０とは反対の面との距離の最小値Ｈ１よりも薄くされている。これにより、端子基板１６０全体がモールド層１３０から突出することが抑制されるので、端子基板１６０によって電子デバイス１００のトータルの厚みが厚くなることが抑制され、結果として電子デバイス１００の低背化が実現できる。

図２は、電子デバイス１００を、配線基板１２０の第１面１２１側から見たときの平面図である。なお、図２においては、モールド層１３０の樹脂については省略されており、配線基板１２０に配置された内蔵機器１４０および導電部１５０が露出した状態が示されている。また、図２においては、配線基板１２０の第２面１２２に配置されたセンサ基板１１０、および、モールド層１３０の段差部１７０に設けられるべき端子基板１６０が破線で描かれている。

図２に示されるように、センサ基板１１０は、段差部１７０とは重ならない位置に配置されている。言い換えれば、電子デバイス１００の法線方向から平面視した場合に、センサ基板１１０と端子基板１６０とは重なっていない。上述のように、指紋認証装置１０においては、センサ基板１１０上にユーザの指が載せられるため、センサ基板１１０の厚み方向に力が加わる。センサ基板１１０と端子基板１６０とを互いに重ならない位置に配置することによって、センサ基板１１０に加えられた力が端子基板１６０に伝達されることが抑制される。

（製造プロセス）
図３は、電子デバイス１００の製造プロセスの一例を示す図である。図３を参照して、まず、支持体５０上に、マウンタを用いて、集積回路１４１およびキャパシタ１４２等の内蔵機器１４０と、導電部１５０とが配列される（図３（ａ））。その後、絶縁性の封止樹脂を用いて、内蔵機器１４０および導電部１５０をモールドし、硬化させることによってモールド層１３０が形成される（図３（ｂ））。

ここで、封止樹脂材料としては、エポキシ系の樹脂のような吸湿性が低い材料を用いることが好ましい。吸湿性が低い樹脂材料を用いることにより、モールドされた搭載部品の配線部の腐食や絶縁膜の劣化などを抑制できるため、良好な信頼性を得ることができる。また、封止樹脂材料として、モールド層１３０内にモールドされる内蔵機器と線膨張率の近い材料を用いることが好ましい。線膨張率の近い材料を用いることによって、温度変化に伴って線膨張率の違いにより生じる熱応力が低減される。したがって、歪みやクラックによって電子デバイス１００が破損することを防止できる。

モールド層１３０が形成されると、支持体５０が除去される（図３（ｃ））。そして、内蔵機器が露出しているモールド層１３０の裏面１３５に、配線パターンが形成された配線金属層と絶縁層とを交互に積層させて配線基板１２０を形成する（図３（ｄ））。配線金属層は、たとえばセミアディティブ法により形成される。また、絶縁層は感光性有機膜を用いて形成される。配線金属層および絶縁層の各層を数μｍ程度の厚みで積層して配線基板１２０を形成することによって、配線基板１２０を低背化することができる。なお、配線基板１２０において、異なる配線金属層に形成された配線パターンは、絶縁層に形成されたビアによって電気的に接続される。

配線基板１２０の形成後、センサ基板１１０が配線基板１２０に配置される。これにより、配線基板１２０内の配線パターンを介して、モールド層１３０内の内蔵機器１４０とセンサ基板１１０とが電気的に接続される。

次に、モールド層１３０の端部をハーフダイシングにより削り取って段差部１７０が形成され、導電部１５０が封止樹脂材料から露出される（図３（ｅ））。このとき、段差部１７０において導電部１５０が露出する露出面１７３の高さ（すなわち、配線基板１２０と露出面１７３との間の厚み方向の距離）が、配線基板１２０上に配置された内蔵機器１４０の高さよりも低くなるように、モールド層１３０が削り取られる。

図３においては、導電部１５０の全体が、モールド層１３０の薄肉部１３２に存在するように段差部１７０が形成されている。そのため、段差部１７０におけるコーナー部１７２は、モールド層１３０の封止樹脂で一体的に形成されている。コーナー部１７２には応力集中が生じやすいが、厚肉部１３１と薄肉部１３２とを同じ材料の構造体で一体物として形成されているため、厚肉部１３１と薄肉部１３２とが別の部品として形成されている場合に比べて破損しづらくなっている。また、導電部１５０の周囲を樹脂でモールドすることによって、薄膜の積層体で形成された配線基板１２０を補強することができる。

その後、端子基板１６０を段差部１７０の部分に配置して、電子デバイス１００が形成される（図３（ｆ））。なお、図３（ｆ）は、図１における電子デバイス１００の上下が反転された図となっている。

応力集中が生じやすいコーナー部１７２については、図４に示されるように、厚肉部１３１と薄肉部１３２との境目を含む境界部１４５において、モールド層１３０および端子基板１６０に曲率半径Ｒの曲面加工を施して、応力集中を緩和するようにしてもよい。

なお、応力集中によるコーナー部１７２の破損を抑制する構成として、他の構成を採用することも可能である。以下の変形例１〜３においては、コーナー部１７２を封止樹脂材料とは異なる材料で形成する例について説明する。

（変形例１）
図５は、変形例１の電子デバイス１００Ａの断面図である。電子デバイス１００Ａにおいては、配線基板１２０と端子基板１６０とを電気的に接続する導電部１５０Ａが、モールド層１３０の厚肉部１３１および薄肉部１３２の境目を含む境界部１４５に亘って配置された構成となっている。そして、段差部１７０の形成において、導電部１５０Ａの一部を削り込むことによって、コーナー部１７２に導電部１５０Ａの金属材料が露出した状態となっている。導電部１５０Ａに用いられる金属材料（たとえば、銅，銀，金，アルミなど）は、一般的にモールド層１３０の樹脂材料よりも高い強度を有し、さらに金属特有の延性を有している。そのため、コーナー部１７２に作用する応力に対して、封止樹脂材料よりも高い耐久性が実現できる。

（変形例２）
図６は、変形例２の電子デバイス１００Ｂの断面図である。電子デバイス１００Ｂにおいては、導電部１５０の周囲、およびモールド層１３０の境界部１４５が、モールド層１３０の封止樹脂材料よりも高い弾性率を有する樹脂１８０で覆われた構成となっており、コーナー部１７２に樹脂１８０が露出した状態となっている。すなわち、樹脂１８０は、モールド層１３０の封止樹脂材料よりも高い剛性を有しているため、コーナー部１７２に作用する応力に対して、より高い耐久性を実現することができる。

なお、高弾性率材料としては、たとえば、シリカあるいはアルミナなどの無機フィラーを混合した無機フィラー混合樹脂を用いることができる。

（変形例３）
図７は、変形例３の電子デバイス１００Ｃの断面図である。電子デバイス１００Ｃにおいては、変形例２とは逆に、導電部１５０の周囲、およびモールド層１３０の境界部１４５が、モールド層１３０の封止樹脂材料よりも低い弾性率を有する樹脂１８２で覆われた構成となっており、コーナー部１７２に樹脂１８２が露出した状態となっている。すなわち、樹脂１８２は、モールド層１３０の封止樹脂材料に比べて柔軟性が高く弾性変形しやすい。そのため、コーナー部１７２に応力が作用した場合でも、当該樹脂１８２が弾性変形することによってクッションのように応力が吸収されるので、コーナー部１７２の破損が抑制される。したがって、コーナー部１７２に作用する応力に対して、封止樹脂材料よりも高い耐久性が実現できる。

低弾性材料としては、たとえば、ポリイミド、ビスマレイミド、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリベンゾオキサゾール、ベンゾシクロブテン、アラミド樹脂、シリコーン系樹脂、液晶ポリマーなどを用いることができる。

なお、変形例２および変形例３の構成は、図３に示した製造プロセスの図３（ｂ）において、封止樹脂材料でモールド層１３０を形成する前に、樹脂１８０（あるいは樹脂１８２）を用いて導電部１５０の周囲のみを部分的にモールドし、その後封止樹脂材料により全体をモールドすることによって形成することができる。

（配線基板内の配線パターンの配置）
指紋認証用のセンサとして超音波センサが用いられる場合には、センサ基板１１０が配置される配線基板１２０内の配線パターンの配置が、センサの検出精度に影響を与え得る。

銅などの金属材料で形成される配線パターンと樹脂で形成される絶縁層とは、弾性率あるいは密度が異なり、さらに超音波の反射率も異なる。図８のように、配線基板１２０の第２面１２２、すなわちセンサ基板１１０の直下に配線パターンが配置された場合において、ユーザが指でセンサ基板１１０に触れると、センサ基板に１１０に対して矢印ＡＲ１の方向に力が加えられる。

このとき、センサ基板１１０と配線基板１２０との接触面において、配線パターン１２５が配置された部分と、配線パターン１２５のない樹脂の部分とでは、密度が異なるため、センサ基板１１０に不均一な荷重が加わる。これによって、センサ基板１１０自体が部分的に歪んだ状態となり、センサ基板１１０の検出面において超音波の減衰状態が不均一となり得る。

また、センサ基板１１０の直下に配線パターン１２５が配置されていると、センサ基板１１０と配線パターン１２５とが接触している部分と、センサ基板１１０と樹脂とが接触している部分とでは超音波の反射状態が不均一となり得る。

このように、配線パターン１２５の有無によって、超音波の反射状態が異なると、検出した指紋の画像中に、配線パターン１２５の画像が映り込んでしまうことになり得る。

そのため、配線基板１２０においては、基本的にはセンサ基板１１０の直下の部分（第２面１２２）には、配線パターン１２５を配置しないようにし、センサ基板１１０と配線パターン１２５とが接触しないようにすることが好ましい。言い換えれば、図９のように、配線パターン１２５を配線基板１２０の内層に形成し、センサ基板１１０と配線パターン１２５との間に少なくとも１つの絶縁層が形成されるようにする。このような構成とすることによって、センサ基板１１０と配線基板１２０との接触面において、超音波の反射状態が均一となるため、超音波センサで検出された検出画像における配線パターン１２５の影響を低減することができる。

なお、絶縁層に用いられる樹脂の種類によっては、配線パターン１２５を配線基板１２０の内層に形成したとしても、配線パターン１２５からの反射の影響を少なからず受ける場合もあり得る。そのような場合には、図１０のように、センサ基板１１０と配線パターン１２５との間の層に、配線パターン１２５を遮るように金属あるいは他の絶縁材料の中間層１２７を配置することによって、超音波の反射を均一化するようにしてもよい。

また、配線基板１２０の第２面１２２に配線パターン１２５を形成することが必要である場合には、図１１に示されるように、配線パターン１２５を金属あるいは他の絶縁材料の中間層１２８で覆い、その中間層１２８の上にセンサ基板１１０を配置するようにしてもよい。これによって、配線パターン１２５よる超音波の不均一な反射を防止することができるので、超音波センサの検出画像をより鮮明にすることが可能となる。

今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１０指紋認証装置、２０筐体、５０支持体、１００，１００Ａ〜１００Ｃ電子デバイス、１１０センサ基板、１２０配線基板、１２１第１面、１２２第２面、１２５，１６２配線パターン、１２７，１２８中間層、１３０モールド層、１３１厚肉部、１３２薄肉部、１３５裏面、１４０内蔵機器、１４１集積回路、１４２キャパシタ、１４５境界部、１５０，１５０Ａ導電部、１６０端子基板、１６１，１６３端子、１７０段差部、１７２コーナー部、１７３露出面、１８０，１８２樹脂。

Claims

内部に配線パターンが形成された第１基板と、
前記第１基板の第１面に配置された第１電子機器と、
前記第１基板の前記第１面とは反対の第２面に配置され、前記配線パターンによって前記第１電子機器と電気的に接続された第２電子機器と、
前記第１電子機器をモールドするモールド層と、
外部端子が形成された第２基板と、
前記モールド層内に配置され、前記第１基板と前記第２基板とを電気的に接続する導電部とを備え、
前記モールド層の端部には、前記導電部が露出した段差部が形成されており、
前記第２基板は前記段差部に配置されており、
前記第２基板と前記第１基板との間の厚み方向の距離は、前記第１基板の前記第１面と、前記第１電子機器における前記第１基板とは反対側の面との間の距離よりも短い、電子デバイス。
前記電子デバイスの法線方向から平面視すると、前記第２基板と前記第１電子機器とは重ならない、請求項１に記載の電子デバイス。
前記モールド層は、前記段差部が形成される薄肉部と、前記段差部が形成されていない厚肉部とを有し、
前記薄肉部と前記厚肉部との間の境界部を含む領域は、前記モールド層の材料で一体的に形成されている、請求項１または２に記載の電子デバイス。
前記モールド層は、前記段差部が形成される薄肉部と、前記段差部が形成されていない厚肉部とを有し、
前記薄肉部と前記厚肉部との間の境界部を含む領域には、前記導電部が露出している、請求項１または２に記載の電子デバイス。
前記モールド層は、前記段差部が形成される薄肉部と、前記段差部が形成されていない厚肉部とを有し、
前記薄肉部と前記厚肉部との間の境界部を含む領域には、前記モールド層の材料よりも高い弾性率の材料で形成された部材が配置される、請求項１または２に記載の電子デバイス。
前記モールド層は、前記段差部が形成される薄肉部と、前記段差部が形成されていない厚肉部とを有し、
前記薄肉部と前記厚肉部との間の境界部を含む領域には、前記モールド層の材料よりも低い弾性率の材料で形成された部材が配置される、請求項１または２に記載の電子デバイス。
前記境界部は、所定の曲率半径に形成されている、請求項３〜６のいずれか１項に記載の電子デバイス。
前記モールド層は、前記段差部が形成される薄肉部と、前記段差部が形成されていない厚肉部とを有し、
前記電子デバイスの法線方向から平面視すると、前記第２電子機器は、前記厚肉部の範囲内に配置されている、請求項１に記載の電子デバイス。
前記第２電子機器は、超音波センサであり、
前記第２電子機器と前記第１基板の前記配線パターンとは接触していない、請求項１〜８のいずれか１項に記載の電子デバイス。
前記第１基板は複数の絶縁層が積層された多層構造を有しており、
前記第２電子機器と前記配線パターンとの間には、前記複数の絶縁層のうちの少なくとも一層が形成されている、請求項９に記載の電子デバイス。
前記第２電子機器と前記第１基板との間には、少なくとも一層の絶縁層または金属層が形成される、請求項９に記載の電子デバイス。
前記第２基板は、柔軟性を有する材料で形成されたフレキシブル基板である、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の電子デバイス。
請求項１〜１２のいずれか１項に記載の電子デバイスを搭載した指紋認証装置。