JP5977739B2 - センシングエリア上に封止層を有する指センサおよび関連する方法 - Google Patents

センシングエリア上に封止層を有する指センサおよび関連する方法 Download PDF

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Description

本発明は電子機器分野に関し、特には、指検知集積回路を含んだ指センサの分野および関連する製造方法に関する。
センサ環境内の物体の物理特性を直接感知する集積回路(IC)を有するセンサは、電子機器において広く用いられるようになってきている。これらのICは測定する外部環境のごく近くに存在することが好ましいが、外部環境から与えられ得る機械的および／または電気的事象によって損傷を受けてはならない。
そのような感知手法の１つは指センシングおよび付随する照合(matching)であり、個人認証または検証のための信頼できる広く用いられる技術となっている。特に、指紋認識に対する一般的なアプローチは、指紋のサンプルまたはその画像のスキャンと、画像および／または指紋画像の固有な特徴の保存を含む。指紋サンプルの特徴は、認証などを目的として、人物のしかるべき身分証明を判定するために、データベースに予め用意された基準指紋に関する情報と比較することができる。
指紋センシングへの特に好適な手法は、本願出願人が譲受人である米国特許第5,963,679号および第6,259,804号に開示されており、これら特許明細書の全内容を引用により本明細書に援用する。指紋センサは、電界信号を用いてユーザの指をドライブし、集積回路基板上の電界検知画素配列を用いて電界を感知する集積回路センサである。別の指センシング集積回路および方法はやはり本願出願人による米国特許出願公開第2005/0089202号、「電界感知画素を含んだマルチバイオメトリック指センサおよび関連する方法」に開示されており、その全内容を引用により本明細書に援用する。
ICセンサの様々なタイプのパッケージングが多くの従来技術文献に記載されている。例えば、Wu等に与えられた米国特許第6,646,316号には、上面にボンドパッド(bond pad)を有する光学センサが開示されている。フレキシブル回路基板はボンドパッドに接続されるとともに、センシング面上に開口を有している。透明ガラス層がフレキシブル基板の開口を覆っている。Manansalaに与えられた米国特許第6,924,496号にも指紋センサに対する同様のフレキシブル回路アタッチメントが開示されているが、センシング面の上方は開放されている。
Kasuga等に対する米国特許第7,090,139号は、薄い配線フィルムに取り付けられたボンドパッドと、センシング面上のウインドウまたは開口と有する指紋センサを含んだスマートカードを開示している。Kozlayによる米国特許出願公開第2005/0139685号にも、指紋センサ用の類似構成が開示されている。
一部の指紋センサは、Bustgens等による米国特許出願公開第2006/0050935号に開示されるような薄膜技術に基づくものである。他の指紋センサは、Benkly, IIIに対する米国特許第7,099,496号に開示されるような、フレキシブル基板上の感知素子を含むかもしれない。これらのセンサは集積回路に基づくセンサよりもいくぶん丈夫かもしれないが、性能においては劣るであろう。
Ryhanen等による米国特許出願公開第2005/0031174号は、容量性電極指紋センシング用の特定用途向け集積回路(ASIC)を覆うフレキシブル回路基板を開示しており、センシング電極はフレキシブル基板表面に存在し、かつ薄い保護ポリマー層に覆われている。一部の実施形態では、ボールグリッド形状で回路基板に取り付けるため、センサーがフレキシブル回路をASICの裏側まで周りこませている。
本願出願人が譲受人の米国特許第5,887,343号は、指センシングICの指センシングエリア上の層を含んだ指紋センサパッケージの実施形態を開示している。センシングエリア用の開口を有するチップキャリアは、透明層の周辺領域を介してIC上のボンドパッドと容量的もしくは電気的に結合される。
現在、指センシングICは、ユーザ認証のための指紋を取得し、またメニューナビゲーションのための指の動きを取得するために一部の携帯電話機に用いられている。シリコンチップを完全に封止する標準的なICパッケージング方法は、センサーが指紋の測定に用いるセンシングフィールド（例えば電界、温度場など）がパッケージを有効に通過できないため、これらセンサーには用いられない。今日のシステムにおけるこれらセンサについては、読み取り動作中に指がチップ上の保護層(passivation layer)に直接接触できるようにIC又はチップがパッケージングされるのが一般的である。保管時や（ポケットやハンドバッグの中で）運ばれる際の物理的ダメージから保護するため、電話機は非操作時には折りたたまれるように設計されるのが一般的であり、折りたたまれた機器の内面に取り付けられたセンサ部品を保護している。
しかし、センサを電話機の保護されない外面に実装可能であることが望ましい場合も多々あるであろう。外面に実装すれば、折りたたまれた電話機を開くことなくセンサを用いることが可能となるほか、いわゆる「ストレート」型(candy bar-type)電話機のような折りたたみ型でない電話機でもICセンサが利用可能となるであろう。
残念ながら、機器の外面に露出した指センシングICの利用は、保管時にセンサーを覆う折りたたみ式のカバーを有するセンサーでは経験しないような機械的および／または電気的なストレスを受ける可能性が高いであろう。例えば、ポケットやハンドバッグに入れられた機器は、ひっかき、摩擦、点衝撃、連続的な点圧力、および剪断衝撃力を受けるであろう。閉じることができるケースの中のセンサに用いられるパッケージング技術では、シリコンチップの保護を十分には提供できない可能性が高い。
上述の背景技術に鑑み、本発明は改良したパッケージング機能を有する指センサ並びに関連する方法を提供することを目的とする。
基板と、基板上に設けられ、隣接する指をセンシングするための指センシングエリアを上面に有する指センシングICとを有する指紋センサにより、本発明に係る上述の目的および他の目的、特徴並びに利点が達成される。指紋センサは前記指センシングIC上で前記指センシングエリアを覆う封止材と、前記指センシングエリアに隣接し、前記封止層の最上面上に設けられたベゼルとを有してよい。好ましくは、前記指紋センサは小型のパッケージング(reduced packaging)と機械的堅牢性とを有する。
より具体的には、前記封止材は、前記指センシングエリアを覆う本体部と、前記本体部の周囲から延びるフランジ部とを有し、前記ベゼルは前記フランジ部の上に設けられてよい。前記ベゼルの外面は完全に露出し、前記指センシングエリアは前記封止材によって完全に覆われてよい。
一部の実施形態では、指センシングエリアは前記指センシングICの上面に搭載された電界センシング電極配列を有してよい。前記指紋センサはさらに、前記ベゼルが駆動電極を規定するように前記ベゼルに接続された少なくとも１つの駆動回路を有してよい。前記指紋センサはさらに、前記ベゼルがさらに静電放電(ESD)電極を規定するように前記ベゼルに接続された少なくとも１つのESD回路を有してよい。
他の実施形態において、前記指紋センサは、前記基板上に設けられ、コネクタ部を有するフレキシブル回路層を有してよい。前記フレキシブル回路層は、基板の、指センシングICが設けられる主表面とは反対側の主表面上に設けられてよい。前記指紋センサはさらに、前記フレキシブル回路層に搭載されたスイッチを含んでもよい。
例えば、前記ベゼルは固体金属製リングを有してもよい。あるいは、前記ベゼルは前記封止材上に導電層を有してよい。前記指紋センサはさらに、前記基板と前記指センシングICとを接続し、前記封止材に埋め込まれる、複数のボンディングワイヤ、ファンアウト回路配線、フリップチップ配線、およびチップオンテープ配線のうち少なくとも１つを有してよい。
別の見地は、指紋センサを製造する方法に関する。この方法は、近接する指を感知する指センシングエリアを上面に有する指センシングICを基板上に配置する工程と、封止材を前記指センシングIC上に形成して前記指センシングエリアを覆う工程と、前記近接する指をドライブするために、前記指センシングエリアに隣接し、かつ前記封止層上に前記ベゼルを配置する工程と、を有する。
本発明に係る、指センサを備える携帯電話機の模式的な平面図である。 本発明に係る指センサの斜視図である。 図２の指センサの平面上面図である。 図２の指センサの側面図である。 図３の線5-5に沿った断面図である。 本発明に係る指センサの別の実施形態の斜視図である。 図６の線7-7に沿った断面図である。 本発明に係る指センサの別の実施形態の斜視図である。 本発明に係る指センサのさらに別の実施形態の斜視図である。
以下、本発明の好適な実施形態を示す添付図面を参照して、本発明をより詳細に説明する。しかし、本発明は、他の様々な形態において実施することが可能であり、ここで説明する実施形態に限定して解釈されるべきものではない。むしろ、これらの例及び実施形態は、本明細書の開示が詳細かつ完全なものとなり、また本発明の範囲を本技術分野に属する当業者に対して十分に伝えることができるように提供されている。同様の番号は一貫して同様の要素を参照し、プライム（’）表記は代替実施形態における類似要素を示すために用いられている。
まず図１〜図５を参照して、本発明に係る指センサ３０の実施形態について説明する。指センサ３０は例示的にストレート型(candy bar-type)の携帯電話機２０の露出面上に取り付けられている。図示のストレート型携帯電話機２０は比較的コンパクトであり、他のタイプの携帯電話機が備えうる、指センサ３０を保護するためのフリップカバーや他の機構を含んでいない。本技術分野に属する当業者には分かるであろうが、指センサ３０はそのような、より優れたセンサ保護性能を提供するタイプの携帯電話機にも当然用いることができる。指センサ３０はまた、他のポータブル電子機器や据え置き型電子機器にも用いることができる。改善された耐久性および堅牢性により、指センサ３０は、露出している場合さえ広範囲な使用が可能である。
携帯電話機２０は筐体２１、筐体２１に搭載されたディスプレイ２２と、筐体２１に搭載され、ディスプレイ２２および指センサ３０に接続されたプロセッサ／駆動回路２３とを有する。本技術分野に属する当業者が理解するように、一般的な携帯電話のダイヤリングおよび他の用途のために提供され用いられる入力キー配列２４がさらに図示されている。
指センサ３０は、一連の指紋画像を生成するためにユーザの指２６をセンシングエリア上で滑らせるスライドタイプであってよい。あるいは、指センサ３０は、指紋画像を生成するためにユーザが指２６をセンシング面上に置くだけの静置タイプであってもよい。もちろん、本技術分野に属する当業者が理解するように、メニューナビゲーションおよび選択機能を提供するため、指センサ３０はさらに、内部に埋め込まれた回路を有したり、および／またはプロセッサ／駆動回路２３と協働してもよい。
おそらく図２〜図５に最もよく示されるように、指センサ３０は例示として基板３５と、基板３５に取り付けられた指センシングIC３４と、基板３５および指センシングIC３４とを接続するボンディングワイヤ３２とを有する。他の実施形態では、ボンディングワイヤ３２がファンアウト回路、フリップチップ、またはチップオンテープといった他の配線方法に置き換えられてもよい。指センシングIC３４は例示として上面に指センシングエリアを有している。一部の実施形態において、指センシングエリアは、例えば米国特許第5,964,679号および第6,259,804号に開示されるような電界指センシングのために、指センシングICの上面に搭載された電界センシング電極配列を有することができる。なお、これら米国特許の開示内容を引用して本願明細書に援用する。
指センサ３０は例えば、指センシングIC３４を封止するとともに指センシングエリアを覆う封止層３３を有する。すなわち、指センシングIC３４は封止層３３を通じてユーザの指紋を感知する。そのため、封止層３３は例えば、ユーザの指を受け入れるための凹部３７を有している。特に、凹部３７は、そこを通じたセンシングを可能とするために薄い。例えば、厚さは２〜５００ミクロンであり、好ましくは１０〜２５０ミクロンである。 封止層３３は、例えば指センシングIC３４およびボンディングワイヤ３２を囲む周辺フランジ部３８を基板３５上に有してもよい。さらに、封止層３３は例えば、フランジ部３８および凹部３７を接続する***傾斜凸部(raised ramp bump portion)４０を有し、ユーザの指が正しい位置を維持するのを助けるとともに、ボンディングパッド、ワイヤボンド、または他の配線デバイスへのESD結合に対する保護を提供する。
図示した実施形態から分かるように、***傾斜凸部４０は凹部３７よりも厚く、それによってボンディングワイヤ３２を電気結合から保護している。他の実施形態において、***傾斜凸部４０は凹部３７と同じ厚みを有してもよい。つまり、***凸部が無くてもよい。また、フランジ部３８は例示的に、ベゼル３１に構造支持体を提供する内部ブロック部を有する。一部の実施形態において、封止層３３は基板を密封し、それによって指センサを汚れから一層保護するとともに、機械的損傷に対する保護（または機械的な耐性）を提供する。
指センサ３０は、例示的に、保護層３３上、すなわち保護層の最上部にベゼル３１を有する。より具体的には、ベゼル３１はフランジ部３８に載置され、フランジ部３８との間の接着層や機械的干渉機構(interference arrangement)を用いてフランジ部３８に接着されてよい。
電界センシング電極を用いる指センサ３０の実施形態において、ベゼル３１はユーザの指をドライブするための駆動電極として機能するように回路に接続されてよい。さらに、指センサ３０は例示的に、基板３５をベゼル３１に接続するための導電トレース３６を基板上に有している。つまり、これら実施形態では、指センサ３０はベゼル３１に接続された配線(wire)を含まないため、デバイスの機械強度を向上させることができる。例えば、ベゼル３１は金属または他の導電物質から構成されてよい。一部の実施形態では、ESD保護回路がベゼルに接続されてもよい。
指センサ３０はさらに、基板３５に搭載された少なくとも１つの電子部品を有してもよい。例えば、この少なくとも１つの電子部品は、ディスクリート部品および他のICの少なくとも１つを有してよい。
指センサ３０はさらに、外部回路への接続を提供するための導電トレース（不図示）を、基板３５の反対側に有してもよい。この導電トレースは、例えばランドグリッドアレイまたはボールグリッドアレイパッケージを形成してもよい。
好適には、指センサ３０は小型のパッケージサイズを提供する。例えば、指センサ３０は８．０mm×８．０mm×１．２mmの大きさを有してよい。ベゼル３１は１０〜３０mm2の大きさを有してよい。
さらに、電界センシング電極を用いる指センサの実施形態において、指センサは例示的に、基板３５上の導電トレース３６を通じて指センシングIC３４と接続される、ESD保護回路５１と、駆動回路５２と、電界感知回路５３とを有している。これらの回路は、指センシングIC３４ならびにベゼル３１と協働して、ユーザの指紋を感知したりESD保護を提供したりする。
図６および図７を参照して、指センサ３０の別の実施形態を説明する。本実施形態の指センサ３０’において、図１〜図５に関して既に説明した構成要素はプライム（’）付きで表記し、そのほとんどはここでの説明を必要としない。本実施形態の指センサ３０’は、個別の導体ベゼルを含まない点でこれまでの実施形態と異なる。ドライブリングおよび／またはＥＳＤ電極を提供するため、代わりに、指センサ３０’は例示的に導電被覆層３９’を封止層３８’上に有している。さらに、導電被覆層３９’との接着性を向上させるため、封止層３８’の表面にパターンやテクスチャが付与されても良い。本技術分野に属する当業者には理解されるであろうが、導電被覆層３９’はボンディングワイヤ結線に対して良好なESD保護を提供するため、ボンディングワイヤ３２’の上まで延びている。さらに、封止層３８’は指センシングIC３４’上で薄くされておらず、従って上述の実施形態には存在した凹部は存在しない。
導電被覆層３９’は封止層３８’の角が丸められた縁(radiused edge)およびフランジ部３８’の上まで延びている。指センサ３０’はさらに、導電被覆層３９’を基板３５’の導電トレースに接続する電極５４’と、結線に機械的強度を与える導電エポキシ５５’とを例示的に有している。この構成は、指センサ３０’パッケージの最上部から底までの低抵抗回路を提供することが好ましい。
図８を参照して、指センサ３０の別の実施形態を説明する。本実施形態の指センサ３０”において、図１〜図５に関して既に説明した構成要素は、ダブルプライム（”）付きで表記し、そのほとんどはここでの説明を必要としない。本実施形態の指センサ３０”は、基板３５”に接続されたフレキシブル回路４１”をさらに有する点で先の実施形態と異なる。本技術分野に属する当業者には理解されるであろうように、フレキシブル回路４１”は表面実装技術を用いて、例えば基板３５”に接続される。フレキシブル回路４１”はコード(flex)部４２”と、そこに接続されたコネクタ部４３”とを例示的に有する。コネクタ部４３”は、ZIF(zero insertion force)コネクタインタフェースのような外部接続性を提供するための複数の導電トレース４４ａ”〜４４ｂ”を例示的に有する。
ある実施形態において、携帯電話機の筐体（不図示）は指センサ３０”を受け入れる凹部と、フレキシブル回路４１”を受け入れる凹部内の開口と有し、フレキシブル回路は筐体が搭載する内部ＩＣ基板に接続される。
図９を参照して、指センサ30の別の実施形態を説明する。本実施形態の指センサ３０’’’において、図１〜図５に関して既に説明した構成要素は、トリプルプライム（’’’）付きで表記し、そのほとんどはここでの説明を必要としない。本実施形態の指センサ３０’’’は、フレキシブル回路４１’’’上に搭載された第２の基板４６’’’と、第２の基板の反対側に設けられた機械式ボタンスイッチ４５’’’とをさらに有する点で先の実施形態と異なる。本技術分野に属する当業者が理解するであろうように、例えば、機械式ボタンスイッチ４５’’’は、電源オン／オフや他の機能を提供することが可能な密封ボタンスイッチ（または通気式ボタンスイッチ）を有してよい。具体的には、第２の基板４６’’’はフレキシブル回路４１’’’上の導電トレースと接続するための導電トレースを表面に有してよい。
ある実施形態では、携帯電話機の筐体（不図示）が、指センサ３０’’’を搭載するための凹部を有することができる。指センサ３０’’’は、機械式ボタンスイッチ４５’’’を選択的に押下するため、凹部内でユーザによって垂直方向に移動可能であってよい。つまり、ユーザは指センサ３０’’’を、一般的な機械式スイッチのように操作することができる。また、他の実施形態において、コネクタ部４３’’’は、外部回路に機械式ボタンスイッチ４５’’’を接続するための複数の導電トレース４４ａ’’’〜４４ｂ’’’を有してもよい。
上述した説明並びに添付図面に示される教示の利益を享受した当業者は、本発明の様々な変更および他の実施形態を想起するであろう。従って、本発明はここに開示した特定の実施形態に限定されるものではないこと、および変形物や実施形態が特許請求の範囲に包含されることが意図されていることを理解すべきである。

Claims (11)

  1. 指紋センサであって、
    基板と、
    前記基板上に設けられ、近接した指を感知するための指センシングエリアを上面に有する指センシング集積回路(IC)と、
    前記指センシングエリアおよび前記基板の前記指センシングICに隣接する領域の両方を覆って前記指センシングICを前記基板上に封止する封止層と、
    前記指センシングエリアに隣接し、前記封止層の最上面上に設けられた導電ベゼル層と、
    前記導電ベゼル層が駆動電極を規定するように、前記導電ベゼル層に接続されるとともにユーザの指に電界信号を与えるための少なくとも１つの駆動回路と、を有し、
    前記指センシングエリアが、前記指センシングICの上面に搭載された電界センシング電極配列を有することを特徴とする指紋センサ。
  2. 前記封止層が、前記指センシングエリアを覆う本体部と、前記本体部の周辺から延びるフランジ部とを有し、前記導電ベゼル層が前記フランジ部上に設けられることを特徴とする請求項１記載の指紋センサ。
  3. 前記導電ベゼル層の外面が完全に露出しており、前記指センシングエリアが前記封止層に完全に覆われていることを特徴とする請求項１記載の指紋センサ。
  4. 前記導電ベゼル層が静電放電(ESD)電極も規定するように、前記導電ベゼル層に接続された少なくとも１つのESD回路をさらに有することを特徴とする請求項１記載の指紋センサ。
  5. 前記基板上に設けられ、コネクタ部を有するフレキシブル回路層と、
    前記フレキシブル回路層に搭載されたスイッチと、をさらに有し、
    前記フレキシブル回路層は、前記基板の、前記指センシングICが設けられる主表面とは反対側の主表面上に存在することを特徴とする請求項１記載の指紋センサ。
  6. 前記基板と前記指センシングICとを接続し、前記封止層に埋め込まれる、複数のボンディングワイヤ、ファンアウト回路配線、フリップチップ配線、およびチップオンテープ配線のうち少なくとも１つを有することを特徴とする請求項１記載の指紋センサ。
  7. 指紋センサを製造する方法であって、
    近接した指を感知するための指センシングエリアを上面に有する指センシング集積回路(IC)を、基板上に配置する工程と、
    封止層を、前記封止層が前記指センシングエリアおよび前記基板の前記指センシングICに隣接する領域の両方を覆って前記指センシングICを前記基板上に封止するように形成する工程と、
    前記指センシングエリアに隣接するように、かつ前記封止層の最上面上に導電ベゼル層を形成する工程と、
    前記導電ベゼル層が駆動電極を規定するように、ユーザの指に電界信号を与えるための前記導電ベゼル層に少なくとも１つの駆動回路を接続する工程と、を有し、
    前記指センシングエリアが、前記指センシングICの上面に搭載された電界センシング電極配列を有することを特徴とする方法。
  8. 前記封止層を形成する工程は、前記指センシングエリアを覆う本体部と、前記本体部の周囲から延びるフランジ部とを有するように前記封止層を形成する工程を有し、前記導電ベゼル層は前記フランジ部の上に配置されることを特徴とする請求項７記載の方法。
  9. 前記導電ベゼル層を形成する工程が、完全に露出するように前記導電ベゼル層の外面を形成する工程を有し、
    前記封止層を形成する工程が、前記封止層によって前記指センシングエリアが完全に覆われるように前記封止層を形成する工程を有する、ことを特徴とする請求項７記載の方法。
  10. 前記導電ベゼル層が静電放電(ESD)電極も規定するように、前記導電ベゼル層に少なくとも１つのESD回路を接続する工程をさらに有することを特徴とする請求項７記載の方法。
  11. 前記基板上に、コネクタ部を有するフレキシブル回路層を接続する工程と、
    前記フレキシブル回路層に搭載されるスイッチを配置する工程と、をさらに有し、
    前記フレキシブル回路層は、前記基板の、前記指センシングICが設けられる主表面とは反対側の主表面上に存在することを特徴とする請求項７記載の方法。
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