TWI545505B - 蓋基體上之半導體裝置及其製造方法 - Google Patents

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維吉 歐根賽安
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Description

蓋基體上之半導體裝置及其製造方法 相關申請案
本申請案主張於2013年12月27日提出申請的美國臨時申請案第61/921,323號之權益，並且於此併入本案以為參考資料。
發明領域
本發明係有關於生物辨識感應器，更特定言之，係有關於該等裝置之封裝。
電子裝置以及特別地行動式電子裝置係變得越來越流行。於該等裝置中處理的資料在數量與敏感性二方面係為成長的。需要安全裝置保護電子裝置之使用者不受潛在的傷害。該等安全裝置需要極佳的準確性、形式因子及可用性。
於美國專利第8,358,816號中揭示一種傳統式指紋感應器，其於此併入本案以為參考資料。該揭示的裝置使用一線性光感應器，捕捉使用者的指紋。然而，該線性光感應器能夠輕易地被駭客入侵，因此，使其成為極脆弱的安全裝置。例如，能夠簡單地在紙張上印出指紋並使用 該列印的指紋得以進入存取由該指紋感應器裝置所保護的裝置。該線性光感應器無法區別假的紙張複本與真實的指紋。此外，該線性光感應器亦需使用者作一擦拭動作。該擦式必需精確且適當地定位，因而使之有時使用困難。最後，對於此裝置之封裝在設計上並未思考形式因子及裝置整合。該封裝係為體積大的，並且一般而言需要一個具有一窗的特別設計裝置蓋。
人們對於改良式生物辨識感應器有一需求。
以包含一感應器晶粒、一第二基體及一導體總成 的一感應器裝置，解決前述該等問題與需求。該感應器晶粒包括一具有前與背表面的第一基體、一配置在該前表面中或該處的感應器、配置在該前表面中或該處並與該感應器電氣耦合的接合墊、以及複數之開口，每一開口由該背表面延伸至其中之一接合墊。該第二基體具有頂部及底部表面，其中該第二基體之該底部表面係安裝至該第一基體之該前表面。該導體總成係通過至少一些開口而電氣耦合至至少一些接合墊。
一種形成感應器裝置的方法包含提供一感應器 晶粒(其包括一具有前與背表面的第一基體、一配置在該前表面中或該處的感應器、配置在該前表面中或該處並與該感應器電氣耦合的接合墊)；形成複數之開口，該每一開口由該背表面延伸至其中之一接合墊；安裝一第二基體之一底部表面至該第一基體之該前表面；以及將一導體總成通 過至少一些開口而電氣耦合至至少一些接合墊。
本發明之其他目的與特性將藉由檢閱說明書、申請專利範圍及附加的圖式而變得顯而易見的。
10‧‧‧感應器晶圓
12‧‧‧基體
14‧‧‧作用區域
15‧‧‧感應器
16‧‧‧接合墊
18‧‧‧劃割線
20‧‧‧溝槽
22‧‧‧通孔/洞孔
24‧‧‧鈍化材料
28‧‧‧黏著劑層
30‧‧‧感應器晶粒
32‧‧‧蓋基體
34‧‧‧凹口
36‧‧‧接地平面槽孔
38‧‧‧通孔
40‧‧‧接地平面
42‧‧‧洞孔
44‧‧‧打線接合部
46‧‧‧導體總成
47‧‧‧電氣互連部
48‧‧‧接地平面
50‧‧‧囊封材料
圖1~4、5A~5C、6A~6D及7~8係為圖示本發明之該封裝感應器之形成的側橫截面視圖。
圖5D係為圖示用於形成該接地平面之槽口的圖案的俯視圖。
圖9~13係為圖示用於與不同組件互連的可交替具體實施例的側橫截面視圖。
本發明係為一生物辨識(指紋)感應器，指紋感應器之封裝，以及該裝置之整合。該感應器使用諸如電容性、電磁性、紅外線及光激性的感應技術而獲得最佳的指紋讀取。本發明包括將該裝置封裝及整合進入一電子系統，其中該感應器能夠直接地配置在供使用者的指紋確認及身分鑑別所用的一手持裝置之螢幕(或是為一螢幕的一部分)的下方。
圖1~8圖示形成該封裝感應器之步驟，該等步驟始於提供一包括一矽基體12的感應器晶圓10、感應器作用區域14，每一區域包含一或更多個感應器15、以及與該等感應器15電氣耦合的接合墊16，如於圖1中所示。每一作用區域14能夠包括以下該等感應器之一或更多個：電容性感應器、電磁性感應器、紅外線(IR)感應器及/或光激性感應 器。該感應器作用區域14能夠由並列、覆蓋另一者之頂部或是交錯安置的多重類型之感應器組成。位在作用區域14中的該(等)感應器在或接近該基體表面處感應外在刺激後產生輸出(複數)信號，該等感應器係耦合至該等接合墊16。 多重作用區域14係形成在一單一感應器晶圓10上，並在之後沿著其間的劃割線18分開，形成個別的感應器晶粒。該等感應器晶圓之形成與組態係廣為熟知的並且於此不再進一步說明。可藉由機械研磨、化學機械拋光(CMP)、濕式蝕刻、常壓下游電漿(ADP)、乾式化學蝕刻(DCE)、及/或前述製程的一結合方式或是任何另外適合的矽薄化方法，能夠在基體12之該背表面上(與該等感應器15與接合墊16所坐落處的基體12之該前表面相對)執行可任擇的矽薄化作業，以減小基體12之厚度。
溝槽20係沿著該等劃割線18形成到基體12之該 背表面中，且位於該等感應器接合墊16上方。溝槽20能夠使用業界廣為熟知的光微影遮罩及非等向性乾式蝕刻製程而形成。溝槽20較佳地朝向基體12之該前表面延伸但未及基體12之該前表面。機械式鋸切或是任何其他的機械銑切製程能夠替代地用以形成該等溝槽20。通孔(亦即，洞孔)22係由溝槽20之底部形成到矽中以暴露感應器接合墊16。洞孔22能夠藉由雷射、乾式蝕刻、濕式蝕刻或是業界所廣為熟知的任何其他適合的通孔形成方法而形成。每一溝槽20及對應的洞孔22形成由該基體之該背表面延伸至其中之一接合墊16的一開口。一可任擇的鈍化材料24能夠沉積在該 等洞孔22之壁上，以及沉積在溝槽20中環繞該等洞孔22之開口，同時讓洞孔22之端部處的該等感應器接合墊16暴露。儘管未顯示，該矽晶圓10之該整個背側亦能夠以鈍化材料24塗覆。鈍化材料24能夠為二氧化矽或氮化矽。優選地，該鈍化層24係由至少0.5微米的二氧化矽構成，使用二氧化矽沉積法形成，該方法能夠為物理蒸汽沉積(PVD)或是任何其他適合的沉積法。於圖2中所顯示者係為該所得結構。
該等通孔22能夠進一步可任擇地以諸如銅或是 業界所廣為熟知的任何其他傳導材料塗覆或填注。諸如銅的金屬材料係為優選的，並能夠藉由電鍍或是濺鍍製程沉積。接著使用微影蝕刻製程選擇性地將銅去除，讓該等通孔有銅塗覆或填注。可任擇地，能夠於該等溝槽20中以及該基體12之該背表面上形成跡線及線路。此時，可任擇地能夠在基體12之該前表面上形成一強化層。該強化層能夠為一抗反射塗料、一電磁屏蔽層、一天線層、一光學過濾器層、一微透鏡層及/或業界中通常所使用的任何其他感應器強化層，以強化感應器裝置。
一黏著劑層28係優選地形成在基體12之該前表 面上方，其能夠為反應定型黏著劑(reaction-setting adhesive)、晶粒附接帶、熱定型黏著劑或是業界所廣為熟知的任何其他類型的晶圓黏合劑。該黏著劑層的厚度優選地係為0.1微米至100微米。可交替地，該黏著劑層28能夠替代地沉積在以下將說明的蓋基體上，或是沉積在蓋基體 與基體12二者上。該黏著劑在目前的狀態下並未活化。該黏著劑層28能夠經由業界所廣為熟知的化學或是機械製程而平坦化及薄化。應注意的是該黏著劑層28能夠一起地省略，藉此該感應器晶片能夠藉由模塑材料而支撐在該蓋基體上。組件沿著該等劃割線18的晶圓級切粒/單粒作業能夠以機械刀片切割設備、雷射切割、化學蝕刻或是任何其他適合的製程完成，以產生個別的半導體裝置(例如，個別的感應器裝置)，分別位在一分開的感應器晶粒30上，如圖3中所顯示。
提供一蓋基體32，其能夠為，例如，具有塗料層及能夠包括位在一裝置蓋上的其他電子裝置結構的玻璃。蓋基體32優選地係以一諸如塑膠、玻璃等的介電材料製成。假若該感應器15包括一光子感應器，該蓋基體32之透光性係為優選的或甚至為需要的。否則，該蓋基體32優選地係以諸如玻璃的不透光材料製成。該蓋基體32可經組配用以定置在一可攜式裝置之螢幕的正下方、定置在該螢幕之一孔口中、或甚至能夠為該螢幕的一部分。一凹口34可任擇地能夠形成位在經定置在該感應器15上方的該蓋基體32之該頂部表面中，以強化感應器的靈敏性。該靈敏性係由於外在環境與該感應器15之間距離的縮短而增加。該凹口34可藉由蝕刻、機械銑製或是供該特別蓋基體所用的任何其他適當方法形成。凹口34之深度優選地係大於該蓋基體的整體厚度的30%。於圖4中顯示該所得結構。
一接地平面槽孔36能夠形成位在該蓋基體32之 該頂部或底部表面中。槽孔36能夠藉由蝕刻、雷射、機械銑製或是任何其他適合的方法形成。該槽孔36之樣態能夠為隨機的(或是虛擬隨機的)並位在該蓋基體32上的任何需要位置上方。該槽孔36之壁能夠為錐形的或是垂直的。例如，該槽孔36能夠為於圖5A中顯示具有形成到基體32之該底部表面中之垂直側壁的一槽孔。可交替地，在藉由於該底部表面中形成一抵達槽孔36的相對應通孔38之後，該槽孔36能夠形成到該蓋基體之該頂部中，如於圖5B中所示。 或是，該槽孔能夠一直地延伸通過該蓋基體32(由該頂部至該底部表面)，如於圖5C中所示。於該後者的例子中，該槽孔36應未在該蓋基體32中產生會破壞該基體之完整性的一連續窗(亦即，應係為如於圖5D中所顯示的不連續形式)。
一接地平面40係藉由以傳導材料，優選地為金屬 材料填注槽孔36而形成。該接地平面40作用為供一電容型式感應器所用的一接地平面天線。能夠使用諸如鋁、銅、鋼、金、銀或任何其他的類金屬的金屬材料。該金屬能夠藉由濺鍍、電鍍沉積或是能夠為插入該接地平面槽孔36中的預鑄塊件。此金屬結構提供諸如電磁屏蔽、表面強化、使用性改良的多種性質，但一般而言，該結構係為該電容感應器所使用，其中具有一焦面及接地平面。為了增加該焦面靈敏性及精確度，該接地平面係製作得較大。與該焦面相較，該接地平面越大，則其靈敏性越小，並且該焦面將更精確。該焦面係為可任擇的，並能夠存在於該電子裝置中的其他位置。圖6A圖示藉由配置在該基體32之該底部 表面中形成的槽孔36中的傳導材料形成的該接地平面40。 圖6B圖示相同的接地平面40，但該傳導材料由槽孔36延伸而出。圖6C圖示藉由配置在該基體32之該底部表面上的傳導材料形成的該接地平面40，其中並無槽孔形成或使用。 圖6D圖示形成作為傳導材料的接地平面40，其形成位於該基體的頂部表面中的槽孔36中並由槽孔36延伸而出，以及作為形成位於槽孔36及通孔38中具有由槽孔36延伸而出的一圓頭部分的傳導材料。
該感應器晶粒30接著優選地使用該先前論及的 黏著劑薄層28安裝至該蓋基體32。可交替地，該黏著劑薄層28係沉積在該蓋基體32之該底部表面上，其中該黏著劑並未在目前狀態下活化。該黏著劑層優選地係平坦化，並具有0.1微米至100微米的厚度。該感應器晶粒30接著經拾起並安置在該蓋基體32上(亦即，安裝至蓋基體32之該底部表面的基體12之該前表面)。該黏著劑層能夠藉由熱量、壓力、化學劑或任何其他適合方法活化。該感應器晶粒30能夠安置在該蓋基體32之該底部表面上的任何位置處，但如有一個存在，優選地係與該凹口34對準。於圖7中顯示該所得結構。
該感應器晶粒30能夠藉由打線接合部44及/或導 體總成46電氣連接至外部電路。打線接合作業係為業界所廣為熟知的，以及該導體總成46，例如，能夠為一撓性印刷電路板(撓性PCB)、剛性PCB等，優選地安裝至蓋基體32。假若該感應器晶粒30包含電容電路，則優選地感應器 晶粒30亦係連接至該接地平面40或是若干類型的大型金屬結構或是金屬網狀構造。於圖8中顯示該所得結構。
圖9圖示一可交替的互連體具體實施例，其中由 該感應器晶粒30至該接地平面40的該連接係經安排路線通過該導體總成46，其亦係藉由打線接合部44連接至該等感應器接合墊16。
圖10圖示另一可交替的互連體具體實施例，其中 該打線接合部44通過一於該導體總成46中形成的洞孔42，連接該接地平面40及該感應器晶粒30。
圖11圖示另一可交替的互連體具體實施例，其中 取代該接地平面及打線接合部，該導體總成46(例如，撓性PCB)藉由電氣互連部47直接地接合至該感應器晶粒30。具體地，多重導體總成46能夠個別地結合在該感應器晶粒30之該等側邊上，或是具有其中係至少部分地配置該感應器晶粒30的一窗或孔口的一單一導體總成46能夠結合至該感應器晶粒30。介於該導體總成46與該感應器晶粒30之間的互連部47能夠為傳導性凸塊或任何其他覆晶組態。如有需要，一接地平面能夠經安排路線通過該導體總成46至該裝置之另一結構。
圖12圖示又另一可交替的互連體具體實施例，其 中一傳導性接地平面48係附裝至該感應器晶粒30之該背表面。打線接合部44係用以將該接地平面48連接至該感應器晶粒30，以及導體總成46係用以將該感應器晶粒30連接至外部電路。
圖13圖示再一可交替的互連體具體實施例，其中 導體總成46係附裝至該感應器晶粒30之該背表面。打線接合部44係用以將該感應器晶粒30連接至該導體總成46。一可任擇的囊封材料50能夠用以覆蓋並保護打線接合部44及其之連接點。
應瞭解的是本發明並未限制在上述且於此圖示的該(等)具體實施例，但包含涵蓋於該等後附申請專利範圍之範疇內的任何及所有的變化。例如，於此參考本發明並不意欲限制任何申請專利範圍或是申請專利範圍用語之範疇，而僅是替代地參考由一或更多申請專利範圍所涵蓋的一或更多特性。以上說明的材料、製程及數值實例係僅為示範性的，並且不應視為限定該等申請專利範圍。再者，如同由該等申請專利範圍及說明書為顯而易見的，並非所有的方法步驟需以圖示或是主張的準確順序執行，而是個別地或是同時地以任意順序執行，容許正確地形成本發明之封裝感應器。最後，可形成單一材料層作為複數之該等或是相似材料層，反之亦然。
應注意的是，如於此所使用，該等用語「位在…上方」(over)及「位在…上」(on)二者包含地包括「直接地位在…上」(directly on)(無中間材料、元件或是空間配置於其間)以及「間接地位在…上」(indirectly on)(中間材料、元件或是空間配置於其間)。同樣地，該用語「相鄰」(adjacent)包括「直接地相鄰」(directly adjacent)(無中間材料、元件或是空間配置於其間)以及「間接地相鄰」(indirectly adjacent)(中間材料、元件或是空間配置於其間)，「安裝 至…」(mounted to)包括「直接地安裝至…」(directly mounted)(無中間材料、元件或是空間配置於其間)以及「間接地安裝至…」(indirectly mounted to)(中間材料、元件或是空間配置於其間)，以及「電氣耦合」(electrically coupled)包括「直接地電氣耦合至…」(directly electrically coupled to)(於其間無中間材料、元件，將該等元件電氣連接在一起)以及「間接地電氣耦合至…」(indirectly electrically coupled to)(於其間中間材料、元件，將該等元件電氣連接在一起)。例如，形成一元件「位在一基板上方」可包括直接地在該基板上形成該元件而於其間無中間的材料/元件，以及於其間具有一或更多中間的材料/元件而間接地在該基板上形成該元件。
12‧‧‧基體
15‧‧‧感應器
30‧‧‧感應器晶粒
32‧‧‧蓋基體
34‧‧‧凹口
40‧‧‧接地平面
44‧‧‧打線接合部
46‧‧‧導體總成

Claims (22)

  1. 一種感應器裝置，其包含：一感應器晶粒，其包含：具有前表面與背表面的一第一基體；配置在該前表面中或該前表面處的一感應器；配置在該前表面中或該前表面處並與該感應器電氣耦合的多個接合墊；以及複數之開口，每一開口係由該背表面延伸至該等接合墊中之一者，其中該等開口中之每一者包含形成到該背表面中且僅部分地延伸穿過該第一基體的一溝槽，以及由該溝槽之一底表面延伸至該等接合墊中之一者的一洞孔；具有頂部表面及底部表面之一第二基體，其中該第二基體之該底部表面係安裝至該第一基體之該前表面；以及一導體總成，其係通過該等開口中之至少一些者而電氣耦合至該等接合墊中之至少一些者。
  2. 如請求項1之感應器裝置，其中該第二基體包括形成到該頂部表面中並配置於該感應器上方的一凹口。
  3. 如請求項1之感應器裝置，其中該第二基體延伸超過該第一基體之邊緣。
  4. 如請求項1之感應器裝置，其中該導體總成係為一撓性印刷電路板。
  5. 如請求項1之感應器裝置，其進一步包含：傳導材料，其係配置在該第二基體上及/或於該第二基體中，以形成一接地平面；及一打線接合部，其延伸通過該等開口中之一者並將該傳導材料電氣連接至該等接合墊中之一者。
  6. 如請求項5之感應器裝置，其中該打線接合部係電氣耦合至該導體總成，且該導體總成係電氣耦合至該傳導材料。
  7. 如請求項5之感應器裝置，其中該打線接合部延伸通過該導體總成中的一洞孔。
  8. 如請求項5之感應器裝置，其中該第二基體包括形成於其中之一或更多的槽孔，並且其中該傳導材料係至少部分地配置在該一或更多的槽孔中。
  9. 如請求項1之感應器裝置，其中該導體總成係安裝至該第二基體之該底部表面，以及其中該導體總成係藉由打線接合通過該等開口中之至少一些者，而電氣耦合至該等接合墊中之至少一些者。
  10. 如請求項1之感應器裝置，其中該導體總成係藉由電氣互連部安裝至該感應器晶粒，每一電氣互連部係在該等接合墊中之一者與該導體總成之間延伸。
  11. 如請求項1之感應器裝置，其進一步包含：傳導材料，其係安裝至該第一基體之該背表面；一打線接合部，其延伸通過該等開口中之一者並將該傳導材料電氣連接至該等接合墊中之一者。
  12. 如請求項1之感應器裝置，其中該導體總成係安裝至該第一基體之該背表面，以及其中該導體總成係藉由多個打線接合部通過該等開口中之至少一些者而電氣耦合至該等接合墊中之至少一些者。
  13. 如請求項12之感應器裝置，其進一步包含：環繞該等打線接合部的囊封材料。
  14. 一種用以形成感應器裝置的方法，其包含：提供一感應器晶粒，該感應器晶粒包含：具有前表面與背表面的一第一基體；配置在該前表面中或該前表面處的一感應器；以及配置在該前表面中或該前表面處並與該感應器電氣耦合的多個接合墊；形成複數之開口，該等開口各係由該背表面延伸至該等接合墊中之一者，其中形成該等開口之各者的步驟包括將僅部分地延伸穿過該第一基體之一溝槽形成到該背表面中，及形成從該溝槽之一底表面延伸至該等接合墊中之一者的一洞孔；將一第二基體之一底部表面安裝至該第一基體之該前表面；以及將一導體總成通過該等開口中之至少一些者而電氣耦合至該等接合墊中之至少一些者。
  15. 如請求項14之方法，其進一步包含：形成一凹口到該第二基體之頂部表面中，使得該凹 口係配置於該感應器上方。
  16. 如請求項14之方法，其中該第二基體延伸超過該第一基體之邊緣。
  17. 如請求項14之方法，其進一步包含：在該第二基體上及/或其中形成傳導材料之一接地平面；以及將一打線接合部之一第一端部電氣耦合至該傳導材料，以及將該打線接合部之一第二端部電氣耦合至該等接合墊中之一者。
  18. 如請求項17之方法，其中形成該接地平面之步驟包含：於該第二基體中形成一或更多槽孔；以及將該傳導材料至少部分地配置於該一或更多槽孔中。
  19. 如請求項14之方法，其進一步包含：將該導體總成安裝至該第二基體之該底部表面；以及利用多個打線接合部將該導體總成電氣耦合至該等接合墊中之至少一些者。
  20. 如請求項14之方法，其進一步包含：使用電氣互連部將該導體總成安裝至該感應器晶粒，各電氣互連部係在該等接合墊中之一者與該導體總成之間延伸。
  21. 如請求項14之方法，其進一步包含：將傳導材料安裝至該第一基體之該背表面； 將一打線接合部之一第一端部電氣耦合至該傳導材料，以及將該打線接合部之一第二端部電氣耦合至該等接合墊中之一者。
  22. 如請求項14之方法，其進一步包含：將該導體總成安裝至該第一基體之該背表面，其中電氣耦合步驟包括將打線接合部之第一端部電氣耦合至該導體總成，以及將打線接合部之第二端部電氣耦合至該等接合墊中之至少一些者。
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